Oscillateurs synchronisés par un échappement à intermittence |
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申请号 | EP12180495.9 | 申请日 | 2012-08-15 | 公开(公告)号 | EP2570867B1 | 公开(公告)日 | 2017-05-10 |
申请人 | The Swatch Group Research and Development Ltd.; | 发明人 | Sarchi, Davide; Karapatis, Nakis; Hessler, Thierry; Helfer, Jean-Luc; | ||||
摘要 | |||||||
权利要求 | |||||||
说明书全文 | L'invention se rapporte à une pièce d'horlogerie comportant des oscillateurs synchronisés par un échappement à intermittence. Généralement, l'organe réglant d'une montre est constitué par un résonateur harmonique amorti presque isochrone, entretenu par un système d'échappement qui transfert l'énergie au résonateur à chaque alternance (échappement à ancre) ou à chaque période (échappement à détente) d'oscillation. Plusieurs problèmes concernent l'entretien de l'organe réglant également appelé résonateur. Ainsi, le transfert d'énergie au résonateur perturbe sa fréquence (et donc la marche de la montre) dans tous le cas où le transfert n'est pas symétrique par rapport au point de repos du résonateur. De plus, l'énergie dépensée par l'échappement par alternance (ou par période) et la fréquence du résonateur déterminent la réserve de marche de la montre, qui est donc limitée. En outre, l'amplitude de l'oscillateur étant limitée par des raisons géométriques, pour augmenter l'énergie de l'oscillateur (et donc sa stabilité faces aux perturbations externes) on doit augmenter sa constante élastique ce qui peut impliquer l'impossibilité de démarrer des oscillateurs à haute fréquence. Enfin, le rendement moyen de l'échappement et la fluctuation de rendement sont influencées, entre autres, par l'accélération des composants de l'échappement. Ainsi, plus le rattrapage du résonateur est rapide, plus le rendement est élevé et constant dans le temps. Dès lors, pour des résonateurs de très hautes fréquences, il est obligatoire d'augmenter les pertes (et diminuer la réserve de marche) et/ou d'augmenter les fluctuations de rendement. Le document Le document Le document Le but de la présente invention est de pallier tout ou partie les inconvénients cités précédemment en proposant une pièce d'horlogerie dont la fréquence (amélioration de la résolution d'affichage) et l'énergie mécanique (amélioration de la stabilité et de la précision) sont augmentées tout en améliorant le rendement de l'entretien et de la réserve de marche. A cet effet, selon un premier mode de réalisation, l'invention se rapporte à une pièce d'horlogerie comportant un premier résonateur oscillant à une première fréquence et relié par un train d'engrenages principal à une source d'énergie principale via un échappement principal, un deuxième résonateur oscillant à une deuxième fréquence qui est un produit de la première fréquence selon un facteur qui est un nombre entier supérieur à 1 caractérisé en ce que le deuxième résonateur coopère également avec l'échappement principal afin de libérer l'échappement principal pour l'entretien du premier résonateur uniquement à chaque oscillation dudit deuxième résonateur. Selon un deuxième mode de réalisation, l'invention se rapporte à une pièce d'horlogerie comportant un premier résonateur oscillant à une première fréquence et relié par un train d'engrenages principal à une source d'énergie principale via un échappement principal, un deuxième résonateur oscillant à une deuxième fréquence qui est un produit de la première fréquence selon un facteur qui est un nombre rationnel le deuxième résonateur coopérant également avec l'échappement principal afin de libérer l'échappement principal pour l'entretien du premier résonateur uniquement à chaque oscillation dudit deuxième résonateur, l'échappement principal étant du type à détente, la première roue d'échappement coopérant avec une première détente commandée par le premier résonateur et la deuxième roue d'échappement coopérant avec une deuxième détente commandée par le deuxième résonateur, les première et deuxième roues d'échappement étant solidaires par engrènement. On comprend que l'invention permet de réduire la fréquence de l'entretien d'un résonateur en dessous de sa fréquence. Elle permet également de garantir l'auto-démarrage d'un mouvement à haute fréquence tout en préservant sa réserve de marche par, notamment, une amélioration du rendement des fonctions d'échappement. Enfin, l'invention permet de réduire sensiblement les défauts de marche générés par les perturbations externes à la montre. Conformément à d'autres caractéristiques avantageuses de l'invention :
D'autres particularités et avantages ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels :
Comme expliqué ci-dessus, l'invention vise à intégrer, dans une montre-bracelet mécanique, un résonateur à haute fréquence (par ex. 10 Hz ou 50 Hz ou plus) dont l'entretien est synchronisé par un résonateur à basse fréquence (par ex. 1 Hz ou 2 Hz) afin de l'entretenir sur une période supérieure à sa fréquence. Dans un exemple de réalisation illustré à la Préférentiellement selon l'invention, la deuxième fréquence f2 est une fraction de la première fréquence (f2 = f1/N ou f2 = f1/2N où N est un entier supérieur à 1). On comprend donc que l'entretien du résonateur principal R1 est effectué uniquement avec la période du résonateur secondaire. Toutefois, le facteur peut également être un nombre rationnel N' si le rapport d'engrenage Ri est différent entre chaque oscillateur. En effet, dans cette variante, les fréquences au niveau de la roue qui solidarise les deux échappements doivent bien être reliées par un multiple entier, par contre l'engrenage peut subdiviser la fréquence des oscillateurs de manière arbitraire et indépendante. Les fréquences des oscillateurs peuvent dès lors ne pas être reliées par un nombre entier, mais par un nombre rationnel (f2 = f1/N' où N' est égale à N*R1/R2 où N est un entier supérieur à 1). Une telle configuration permet de manière avantageuse de réaliser un mouvement de base (ou un mouvement chrono) à grande résolution (par exemple 1/20 s ou 1/100 s). Elle permet également d'augmenter la précision et la résistance aux chocs du résonateur principal et d'augmenter la réserve de marche tout en garantissant l'auto-démarrage d'un mouvement même à très haute fréquence comme par exemple à 50 Hz. Enfin, une telle configuration permet l'entretien de résonateurs à faible amplitude et la suppression partielle ou totale du rouage d'affichage et/ou d'entretien. Selon un premier mode de réalisation illustré à la A titre d'exemple, on peut considérer que la roue 3 est libre si les deux résonateurs R1 & R2 se trouvent autour du point de repos dans l'intervalle angulaire (-20°, +20°). Pour garantir l'entretien du résonateur principal R1, dans le cas où les deux résonateurs ont une phase considérablement différente, c'est-à-dire qu'ils passent au point de repos à deux instants différents, la détente 7 du résonateur secondaire R2 peut être construite pour augmenter l'intervalle angulaire pour lequel l'échappement principal D2 est libéré par le résonateur secondaire R2. On comprend alors que la détente 7 du résonateur secondaire R2 comporte, de manière préférée, une libération sur un intervalle angulaire supérieur à l'angle de la détente 5 pour lequel le résonateur principal R1 libère la roue 3. De fait, lors de la libération de la détente, puisque la force de freinage agissant sur l'oscillateur est appliquée très proche du centre de rotation de l'oscillateur, le couple perturbateur qui en résulte est très faible, c'est-à-dire que l'angle de libération pour le résonateur secondaire R2 peut donc être augmenté considérablement sans en affecter la marche. Si, suite à un choc, le déphasage des résonateurs est trop important et que l'entretien est empêché, on comprend que la courbe d'isochronisme du résonateur principal R1, croissante ou décroissante, permet de rattraper la phase entre les deux résonateurs après quelques oscillations. En fait, le résonateur principal R1 perdra de l'amplitude jusqu'à ce que le phasage soit rétabli entre l'oscillation du résonateur secondaire R2 et une des N oscillations du résonateur principal R1. On comprend donc que le défaut de marche additionnel sur l'affichage sera inférieur ou égal à une période du résonateur principal R1 ce qui signifie qu'il sera d'autant plus petit que la fréquence f1 est très élevée. Selon un deuxième mode de réalisation illustré aux Toutefois, par rapport au premier mode de réalisation, on remarque que les résonateurs R1 & R2 libèrent par détente deux roues différentes 11 et 15, qui engrènent (en parallèle ou en série) avec le train d'engrenages principal T2. Une fois libérée, la roue 15 n'est plus bloquée jusqu'à la libération de la roue 11 et donc de l'échappement D2. Dans ce cas, l'échappement D2 est libéré à chaque période (ou alternance) du résonateur principal R1 et l'entretien à chaque oscillation du résonateur secondaire R2 est garanti indépendamment du déphasage des résonateurs R1 et R2. Dans l'exemple illustré à la Au passage du résonateur principal R1, la roue 11 est libérée par la détente 13 au niveau de la denture supérieure 12 et permet l'entretien du résonateur principal R1, avant d'être bloquée à nouveau par sa détente 13 au niveau de la denture supérieure 12 et/ou par la roue 15 qui joue alors un rôle comparable à un dispositif d'arrêtage. Bien évidemment, la roue 11 reste bloquée lors du passage du résonateur principal R1 si le résonateur secondaire R2 n'a pas libéré préalablement la roue 15. On comprend donc que les deux modes de réalisation de l'échappement principal D2 aboutissent sensiblement aux mêmes avantages et utilisent un échappement principal D2 unique pour les deux résonateurs R1 et R2, c'est-à-dire que ces derniers sont entretenus à partir de la même source d'énergie principale B2 par l'échappement principal D2. Selon une variante des deux modes de réalisation ci-dessus, le deuxième résonateur R2 est également relié à un train d'engrenages secondaire T3 à une source d'énergie secondaire B3 via un deuxième échappement D3. En effet, si un entretien du résonateur secondaire R2 extérieur à l'échappement principal D2 s'avère nécessaire, un deuxième échappement D3, préférablement du type à ancre suisse, entretient le résonateur secondaire R2. Ainsi, à chaque alternance du résonateur secondaire R2, ce dernier est alimenté par la source d'énergie secondaire B3 (ou, alternativement, par la source d'énergie principale B2 au moyen d'un différentiel) via le train d'engrenage secondaire T3. Une alternative particulière de cette variante qui nécessite un entretien du résonateur secondaire R2 extérieur à l'échappement principal D2 est présentée à la Les avantages de l'invention ont été quantifiés à partir de la variante du premier mode de réalisation de l'échappement principal D2. La constante élastique du résonateur étant kj et son inertie mj, sa fréquence d'oscillation est : L'échappement doit fournir la même quantité d'énergie. Si le couple appliqué au résonateur est constant sur un angle donnée θj, l'énergie d'entretien est : En augmentant la fréquence du résonateur, le facteur de qualité Qj augmente ce qui est favorable pour une meilleure chronométrie. Si l'énergie du résonateur est constante, les pertes diminuent et l'énergie d'entretien diminue aussi. Puisque l'angle de transmission de l'énergie ne peut pas être diminué indéfiniment, le couple d'entretien doit être diminué. Par ailleurs, la condition nécessaire pour le démarrage est que le couple d'entretien dépasse le couple de rappel élastique du résonateur à l'angle de sortie de celui-ci : Cela signifie qu'on ne peut pas diminuer indéfiniment le couple d'entretien en conservant la propriété d'auto-démarrage du résonateur et, en même temps, sans diminuer l'énergie mécanique du résonateur ce qui diminue sa stabilité face aux perturbations externes. Il faut aussi se rendre compte que l'augmentation de la fréquence et la diminution du couple d'entretien entraîne une vitesse du résonateur plus importante (v = 2 π f A, (6)) au point de repos, c'est-à-dire à l'instant où l'entretien ne donne pas des défauts de marche, tandis que l'accélération des mobiles d'échappement est plus faible. On s'aperçoit alors que le rendement d'échappement chute parce que l'échappement n'arrive pas à rattraper le résonateur. On comprend donc qu'il est nécessaire que les mobiles d'échappement rejoignent la vitesse du résonateur pendant le temps disponible à l'entretien : Finalement, si on augmente la fréquence et l'énergie du résonateur, la réserve de marche va forcément diminuer, parce que l'échappement doit entretenir le résonateur plus souvent et avec plus d'énergie à chaque passage. Ainsi, quantitativement, pour un résonateur habituel de fréquence f égale à 10 Hz, avec une inertie m égale à 2 mg.cm2, un coefficient élastique k égale à 0,79 µNm.rad-1 et un facteur de qualité Q égal à 600, l'énergie d'entretien Eech est sensiblement égale à 25 nJ. Cela correspond donc, selon la relation (4), à un couple d'entretien Cech égale sensiblement à 28 nNm, pour un angle d'entretien θj de 50°. Le système n'auto-démarre pas parce que le terme k. θj / 2 est supérieur au couple d'entretien Eech selon la relation (5). D'un autre côté, le temps disponible à l'entretien, qui correspond au passage du résonateur du point de repos, se réduit à dtech égale à 40° soit, selon la relation (6), un temps de 2,3 ms pour une amplitude A égale à 280°. Pour atteindre une accélération suffisante des mobiles d'échappement avec un couple d'entretien si faible, selon la relation (7), il faut réduire considérablement l'inertie des mobiles d'entretien jusqu'à une inertie équivalente de sensiblement 2.10-3 mg.cm2. Si un résonateur du même type est entretenu, par un échappement D2 selon l'invention, à une fréquence f2 égale à 1 Hz, la perte d'énergie à compenser à chaque fonction d'entretien est 20 fois plus élevée. A parité d'angle d'entretien θj égale à 50°, le couple d'entretien Cech est 20 fois plus élevé, c'est-à-dire d'environ 0,7 µNm, et le système auto-démarre en accord avec la relation (5). Pareillement, l'accélération des mobiles d'entretien est augmentée de 20 fois et le rendement peut être optimisé librement selon la seule contrainte géométrique et tribologique et non plus dynamique et de bilan énergétique. Par conséquent, le rendement étant augmenté, la réserve de marche est forcément améliorée. Pour montrer les avantages de la pièce d'horlogerie selon l'invention, les équations couplées des mouvements ont été résolues numériquement. Il a été considéré un résonateur secondaire R2 d'inertie m2 égale à 10 mg.cm2, de fréquence f2 égale à 1 Hz et avec un facteur de qualité Q2 égale à 150. De plus, Le résonateur principal R1 a une énergie mécanique égale à 9,6 µJ, tandis que résonateur secondaire R2 a une énergie égale à 0,5 µJ. La La De plus, la Par conséquent, la réponse d'une pièce d'horlogerie selon l'invention à une perturbation P donnée est similaire, voire meilleure à la réponse d'un résonateur simple Rx équivalent, c'est-à-dire avec une même énergie Ex, une même fréquence fx et une même amplitude Ax. De plus, le résonateur secondaire R2 forme avantageusement un système anti-galop pour la fonction d'entretien en évitant notamment les défauts de marches liés au double entretien. Suivant le mode de réalisation, la variante et/ou l'alternative choisie ci-dessus, la pièce d'horlogerie 1 selon l'invention propose trois types de dispositif d'affichage A1, A2 et/ou A3. Un premier type d'affichage comporte un dispositif d'affichage A1 comprenant une source d'énergie d'affichage B1 reliée à un train d'engrenages pour l'affichage T1 solidaire d'un mécanisme de distribution D1 commandé par le résonateur principal R1. Préférentiellement selon l'invention, le mécanisme de distribution D1 est formé par une détente 9 commandée par le résonateur principal R1 afin de libérer, à chaque période ou alternance du résonateur principal R1, la roue 10 reliée au train d'engrenages T1 sans fournir de couple d'entretien supplémentaire au premier résonateur R1. On comprend donc que le dispositif d'affichage A1 bénéficie de la haute fréquence du résonateur principal R1 en affichant le déplacement par exemple de la roue 10, c'est-à-dire selon une résolution améliorée comme, par exemple, jusqu'au 1/20 de seconde ou jusqu'au 1/100 de seconde. Par conséquent, dans le cas des deux modes de réalisation et/ou de sa variante expliqués ci-dessus, le dispositif d'affichage A1 permet d'afficher l'heure avec une résolution améliorée. De plus, dans le cas de l'alternative expliquée ci-dessus, le dispositif d'affichage A1 permet d'afficher le temps mesuré avec une résolution améliorée. Un deuxième type d'affichage comporte un dispositif d'affichage A2 de l'heure relié au train d'engrenages secondaire T2. On comprend alors que l'affichage se fait au même temps que l'entretien du résonateur principal R1. Dans ce cas, la haute fréquence n'est pas utilisée pour améliorer la résolution mais pour améliorer la stabilité. On réalise également que cette configuration forme un système anti-galop très efficace pour l'échappement à détente D2 quel que soit son mode de réalisation. Enfin, un troisième type d'affichage comporte un dispositif d'affichage de l'heure A3 relié au train d'engrenages secondaire T3. Ce troisième type est entièrement dédié à l'alternative ci-dessus dans laquelle le résonateur principal R1 est utilisé uniquement pour mesurer un temps. En effet, le résonateur secondaire R2 étant le seul à fonctionner en permanence, l'affichage de l'heure ne peut être effectué qu'à partir du train d'engrenages secondaire T3. Au vu des explications ci-dessus, on comprend que l'invention permet de réduire la fréquence de l'entretien d'un résonateur en dessous de sa fréquence. Elle permet également de garantir l'auto-démarrage d'un mouvement à haute fréquence tout en préservant sa réserve de marche par, notamment, une amélioration du rendement des fonctions d'échappement. Enfin, l'invention permet de réduire sensiblement les défauts de marche générés par les perturbations externes à la montre. Bien entendu, la présente invention ne se limite pas à l'exemple illustré mais est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, d'autres types de résonateurs et/ou d'échappements peuvent être envisagés sans sortir du cadre de l'invention. A titre d'exemple, certains composants mécaniques pourraient être avantageusement remplacés et/ou assistés par des composants magnétiques. Enfin, la pièce d'horlogerie peut comporter une source d'énergie unique, c'est-à-dire qu'une seule source d'énergie équipée de différentiels peut former respectivement les sources d'énergie décrites ci-dessus B1 et/ou B2 et/ou B3. |