MECANISME D'ECHAPPEMENT D'HORLOGERIE MAGNETO-MECANIQUE OPTIMISE |
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申请号 | EP18195530.3 | 申请日 | 2018-09-19 | 公开(公告)号 | EP3627242B1 | 公开(公告)日 | 2021-07-21 |
申请人 | The Swatch Group Research and Development Ltd; | 发明人 | DI DOMENICO, Gianni; FAVRE, Jérôme; LÉCHOT, Dominique; HINAUX, Baptiste; MATTHEY, Olivier; WINKLER, Pascal; STRANCZL, Marc; WILLEMIN, Michel; ODEH, Ahmad; | ||||
摘要 | |||||||
权利要求 | |||||||
说明书全文 | L'invention concerne un oscillateur d'horlogerie, comportant au moins un résonateur, avec une masse inertielle rappelée par des moyens de rappel élastique par rapport à une structure fixe, ledit résonateur oscillant autour d'un axe d'oscillation, ladite masse inertielle portant une palette d'entrée et une palette de sortie, ledit oscillateur comportant un mécanisme d'échappement comportant une roue d'échappement agencée pour tourner autour d'un axe de rotation et comportant des dents d'extrémité, chacune agencée pour coopérer avec ladite palette d'entrée ou avec ladite palette de sortie pour l'entretien de l'oscillation dudit résonateur. L'invention concerne encore un mouvement d'horlogerie comportant au moins un tel oscillateur. L'invention concerne encore une montre comportant au moins un tel mouvement et/ou au moins un tel oscillateur. L'invention concerne le domaine des mécanismes oscillateurs d'horlogerie. L'utilisation de guidages flexibles permet de réaliser des résonateurs à haute fréquence et à haut facteur de qualité, comme par exemple dans les demandes de brevets Des échappements magnétiques sans frottement sont bien adaptés pour entretenir ce type de résonateur, tel que lisible dans les demandes de brevet Le brevet Une proposition générale de combiner un échappement magnétique, à haut rendement, et un échappement mécanique avec ses caractéristiques d'auto-démarrage et sécurité est décrite dans la demande de brevet L'invention se propose de réaliser un mécanisme d'échappement robuste et auto-démarrant, pour entretenir un résonateur à haute fréquence et à haut facteur de qualité. A cet effet, l'invention concerne un mécanisme oscillateur d'horlogerie selon la revendication 1. D'autres modes de réalisation préférés sont définis dans les revendications 2 à 16. L'invention concerne encore selon la revendication 17 un mouvement d'horlogerie comportant au moins un tel oscillateur. L'invention concerne encore selon la revendication 18 une montre comportant au moins un tel mouvement et/ou au moins un tel oscillateur. 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 :
L'invention se propose de réaliser un mécanisme d'échappement robuste et auto-démarrant, pour entretenir un résonateur à haute fréquence et à haut facteur de qualité, avec des propriétés d'anti-décrochage. L'invention est une mise en pratique de l'échappement magnéto-mécanique, tel celui décrit dans la demande de brevet Comme dans le brevet L'invention est ici plus particulièrement décrite dans l'alternative magnétique. L'homme du métier trouvera dans l'art antérieur cité plus haut les moyens de son adaptation à une version électrostatique, ou encore mixte magnétique-électrostatique. L'oscillateur complet 300 comporte au moins un résonateur 100, notamment mais non limitativement un résonateur avec une au moins une masse inertielle 1, notamment un balancier, suspendue directement ou indirectement à une structure fixe 3, laquelle est destinée à être fixée à une platine ou similaire. Cette au moins une masse inertielle 1 est rappelée par des moyens de rappel élastiques. Dans une réalisation particulière, ces moyens de rappel élastique comportent des lames flexibles 2, tel que visible sur les Au moins une masse inertielle 1 porte une palette d'entrée PE et une palette de sortie PS. L'oscillateur 300 comportant un mécanisme d'échappement 200. Le mécanisme d'échappement 200 est un mécanisme à fonctionnement intermittent, et comporte classiquement au moins une roue d'échappement 20, agencée pour tourner autour d'un axe de rotation OE, et qui comporte des bras 21 munis de dents mécaniques d'extrémité 22, agencées pour interagir alternativement avec les palettes d'entrée PE et de sortie PS. Chacune de ces dents 22 est agencée pour coopérer avec la palette d'entrée PE ou avec la palette de sortie PS pour l'entretien de l'oscillation du résonateur 100. Selon l'invention, ce mécanisme d'échappement 200 est magnéto-mécanique. La roue d'échappement 20 comporte au moins un aimant 23 au bout de chaque dent 22. Ces dents 22 sont agencées pour s'appuyer sur une palette mécanique 16, que comporte chaque palette d'entrée PE ou de sortie PS pendant l'arc libre du résonateur 100. Et la palette d'entrée PE comporte un premier agencement magnétique 30, la palette de sortie PS comporte un deuxième agencement magnétique 30. Et ce premier agencement magnétique 30 et ce deuxième agencement magnétique 30 comportent chacun un secteur annulaire, centré sur l'axe d'oscillation OR du résonateur 100, et définissant une première zone de barrière magnétique Z1. Cette première zone de barrière magnétique Z1 s'étend au-dessus et/ou au-dessous de la palette mécanique 16, en référence à la direction de l'axe d'oscillation OR, sur toute la longueur de cette palette mécanique apte à servir d'appui aux dents 22 pendant l'arc libre, de façon à constituer un mécanisme d'échappement à cylindre magnétique. Dans la variante particulière et non limitative illustrée, une telle masse inertielle 1 comporte un balancier 11, notamment en alliage de titane, comportant des masselottes de réglage 101. Cette masse inertielle 1 est solidaire de deux plaques 12, 13, en silicium, ou en silicium et dioxyde de silicium, ou similaire, comportant chacune une lame flexible 2. Les deux lames flexibles 2 représentées ici se croisent en projection sensiblement au niveau de l'axe d'oscillation OR de la masse inertielle 1. Les extrémités des deux plaques, opposées à celles fixées au balancier 11, constituent une masse 4 unique, ou deux masses 4 distinctes, chacune suspendue par des lames flexibles transversales 7 et/ou au moins une poutre rigide 6 à un corps intermédiaire 5, lui-même suspendu à la structure fixe 3 par des lames flexibles longitudinales 8 et/ou au moins une poutre rigide 9. Cet agencement particulier constitue une table anti-choc, efficace pour protéger le pivot flexible formé par les lames flexibles 2. De tels dispositifs anti-choc destinés à protéger les lames du résonateur sont notamment décrits dans les demandes de brevets Ainsi, le résonateur 100 comporte un arrêtoir avec une palette d'entrée PE, et une palette de sortie PS, chacune apte, lors de l'oscillation du résonateur 100, à coopérer avec roue d'échappement 20. Ces palettes d'entrée PE et de sortie PS peuvent être distinctes, ou former un ensemble monobloc, chacune est agencée pour être fixée solidaire de la masse inertielle 1, et l'extrémité distale de chaque palette PE, PS est agencée pour coopérer avec les dents 22 de la roue 20. Chaque palette PE, PS comporte une palette mécanique 16 prévue pour un contact mécanique avec les dents 22, et cette palette mécanique 16 se termine avantageusement, mais non nécessairement, par un plan d'impulsion à l'extrémité distale de la palette concernée, du côté de la roue d'échappement 20. Selon l'invention, au moins une roue d'échappement 20 comporte au moins un aimant 23 au bout de chaque dent 22. Et l'oscillateur 300 comporte un premier agencement magnétique 30 pour la palette d'entrée PE et un deuxième agencement magnétique 30 pour la palette de sortie PS, et qui ne sont pas nécessairement identiques, comme on le verra plus loin. Chaque agencement magnétique 30 est agencé pour être rapporté sur une palette, ou bien fait partie intégrante d'une palette, au niveau au moins d'un flasque supérieur 15 et/ou d'un flasque inférieur 17, encadrant la palette mécanique 16, et disposé respectivement au-dessus ou au-dessous de la roue d'échappement 20 ; ces dispositions au-dessus et au-dessous s'entendent en référence à la direction de l'axe d'oscillation OR du résonateur 100, et de l'axe de rotation OE de la roue d'échappement 20, qui lui est parallèle. En somme, une palette d'entrée PE ou une palette de sortie PS comporte une palette mécanique 16, agencée pour coopérer avec les dents 22 de la roue 20, et un agencement magnétique 30 dont l'effet de champ magnétique vient en superposition avec les surfaces d'interaction mécanique potentielles de la palette mécanique 16. Cet agencement magnétique 30 peut être réalisé au niveau de différentes surfaces, notamment des surfaces de la palette mécanique 16, plus particulièrement en bordure ou au-delà de la zone d'interaction mécanique avec les dents 22 de la roue 20. Plus particulièrement, au moins un tel agencement magnétique 30 est implanté sous un flasque supérieur 15 et/ou sur un flasque inférieur 17 de l'une des palettes d'entrée PE ou de sortie PS. Plus particulièrement, au moins un tel agencement magnétique 30 est implanté sous un flasque supérieur 15 et sur un flasque inférieur 17 de l'une des palettes d'entrée PE ou de sortie PS. Plus particulièrement encore, un tel agencement magnétique 30 est implanté sous un flasque supérieur 15 et sur un flasque inférieur 17 de chacune des palettes d'entrée PE et de sortie PS. Dans la variante illustrée par les figures, le résonateur 100 est équipé de palettes d'entrée PE et de sortie PS comportant des palettes mécaniques 16 sensiblement tubulaires, et auxquelles on a ajouté des aimants au-dessus et au-dessous, tel que visible sur les La géométrie de l'échappement magnéto-mécanique est présentée avec plus de détails sur la Les aimants 23 de la roue d'échappement 20 interagissent en répulsion avec les aimants portés par le résonateur qui sont disposés sur au moins un niveau, et plus particulièrement sur deux niveaux, au-dessus et au-dessous de la roue 20 selon le schéma de la La séquence illustrée par les Après un arc libre, sans frottement, sur la palette d'entrée PE située en partie gauche de la figure, tel que visible en Ensuite, tel que visible en Ensuite, dans une variante particulière, un contact mécanique, de type choc, entre la roue d'échappement 20 et la palette de sortie PS, permet d'amortir les rebonds, tel que visible en Après ce contact mécanique éventuel, et tel que visible en Une séquence similaire se produit sur la palette d'entrée après le dégagement de la palette de sortie, comme illustré sur les
Afin de comprendre la conception des agencements magnétiques 30 des palettes, que l'on peut dénommer palettes magnétiques, il est utile de représenter la trajectoire T des aimants 23, de préférence cylindriques, portés par les dents 22 de la roue d'échappement 20, dans le référentiel du résonateur 100, tel que visible sur la Si l'on considère la palette d'entrée PE, le point le plus en bas à gauche de la trajectoire T, sur la Ceci permet d'identifier les zones fonctionnelles des palettes magnétiques selon les On distingue ici, sur la palette d'entrée PE en
Ces L'agencement magnétique 30 comporte, dans les variantes de ces mêmes figures, un agencement complet, non limitatif puisque l'oscillateur 300 selon l'invention peut fonctionner avec tout ou partie des aimants ou zones aimantées décrits ci-après, à condition de comporter au moins les barrières magnétiques 31 :
La
L'agencement de ce mécanisme d'échappement selon l'invention définit une ou plusieurs zones fonctionnelles :
De préférence, mais non limitativement, et tel qu'illustré sur les figures, pour la palette d'entrée PE :
De façon similaire, pour la palette de sortie PS:
La première zone Z1 de barrière magnétique est indispensable, et a pour fonction de repousser les dents 22 de la roue d'échappement 20, et permet ainsi de supprimer le contact mécanique afin que l'arc libre s'effectue sans frottement. Cette première zone Z1 de barrière magnétique peut être plus ou moins intense mais elle doit suivre un arc de cercle centré sur l'axe d'oscillation OR du résonateur 10. Il est possible d'augmenter l'intensité de la barrière si l'on désire éviter le choc mécanique entre les dents de la roue d'échappement 20 et les palettes mécaniques 16 des palettes PE et PS. Ou à l'inverse il est possible de diminuer l'intensité de la barrière, si l'on désire minimiser le recul de la roue d'échappement 20 après le choc. Un mécanisme comportant seulement cette barrière magnétique 31 est une variante d'échappement à cylindre magnétique, qui représente un perfectionnement du brevet Le patin magnétique 32 de la deuxième zone Z2 d'amélioration de l'auto-démarrage, est optionnel. Il est avantageusement ajouté pour réduire le frottement entre la roue d'échappement 20 et l'extrémité de la palette mécanique 16 de la palette PE ou PS au moment du démarrage grâce à la répulsion magnétique. Ceci permet d'améliorer l'auto-démarrage de façon significative. La longueur du patin magnétique 32 ainsi que sa forme est ajustée pour optimiser l'auto-démarrage. Ce patin magnétique 32 a aussi un autre effet. Lorsque l'aimant de la roue d'échappement 20 passe à proximité du patin magnétique, il y a répulsion magnétique, ce qui transmet une impulsion au résonateur 100 et améliore sensiblement le rendement. De façon préférée, le patin magnétique 32 comporte au moins un aimant, et s'étend de façon sensiblement perpendiculaire à l'extrémité distale de la barrière magnétique 31 la plus proche de la roue d'échappement 20, et du côté de l'entrée en coopération entre un aimant 23 et l'agencement magnétique 30 de la palette PE ou PS concernée, en formant avec la barrière magnétique 31 un L majuscule inversé. Ce patin magnétique 32 n'est pas nécessairement droit, il peut aussi être légèrement courbe. Dans une variante non illustrée, il peut comporter, à son extrémité distale opposée à la barrière magnétique 31, un ergot magnétique, du côté opposé à la roue d'échappement, et prolongeant la zone où se produisent les impulsions. Plus particulièrement cet ergot magnétique est situé à l'extrémité distale selon la direction D2- en ce qui concerne la palette d'entrée PE, et à l'extrémité distale selon la direction D4- en ce qui concerne la palette de sortie PS. Plus particulièrement encore, cet ergot magnétique s'étend selon la direction D1- en ce qui concerne la palette d'entrée PE, et selon la direction D3- en ce qui concerne la palette de sortie PS. Dans une autre variante non illustrée, le patin magnétique 32 s'étend selon la direction D2+, respectivement D4 +. Notons que la deuxième zone Z2 d'amélioration de l'auto-démarrage n'est pas nécessairement identique à la zone où se produisent les impulsions, ce qui signifie que l'on peut ajuster l'impulsion sans affecter l'auto-démarrage. Au niveau de la palette d'entrée PE, la Dans une variante avantageuse, le patin magnétique 32 est complété par un talon magnétique 33, qui est sensiblement dans son alignement, et du côté opposé par rapport à la barrière magnétique, c'est-à-dire dans selon la direction D2+ au niveau de la palette d'entrée PE, et dans la direction D4+ au niveau de la palette de sortie PS. Ce talon magnétique 33 permet d'écarter la force de l'axe, et tend à chasser tangentiellement l'aimant 23 de la roue d'échappement 20, et permet de combattre la force de frottement, il permet que la répulsion dure jusqu'à l'extrémité de la palette. Ce talon magnétique 33 est encore utile au niveau de la cinématique globale, car le talon magnétique 33 situé sur la palette de sortie PS permet que le bras 21 suivant de la roue d'échappement 20 soit suffisamment engagé en coopération avec l'agencement magnétique 30 de la palette d'entrée PE, pour ne pas subir le seuil à vaincre lors de son passage à l'entrée dans cette zone. De façon avantageuse, la longueur totale du patin magnétique 32 et du talon magnétique 33 qui le prolonge est voisine du demi-pas des extrémités de dents 22 sur le cercle CE qui est l'enveloppe de la trajectoire de la roue d'échappement 20. Dans une réalisation particulière, le talon magnétique 33 est agencé par rayons croissants depuis l'axe de rotation OE de la roue 20 en s'éloignant dudit magnétique (32). Dans une réalisation particulière, le talon magnétique 33 est réalisé en escalier avec des gradins dégressifs, tel que visible sur les Plus particulièrement, la longueur curviligne totale du patin magnétique 32 est supérieure à celle du talon magnétique 33, afin de donner une première impulsion : à l'entrée, l'ensemble du patin et du talon s'étend plus dans la direction D2- que dans la direction D2+, et à la sortie l'ensemble du patin et du talon s'étend plus dans la direction D4- que dans la direction D4+. L'ajout d'un tel patin magnétique 32 à la barrière magnétique 31 est avantageux pour l'auto-démarrage: si ce patin magnétique n'existe pas, la roue d'échappement peut, dans certaines configurations, venir en butée mécanique sur l'extrémité distale de la palette mécanique 16 de la palette PE ou PS, et le faible couple disponible au niveau de la roue d'échappement 20 ne permet pas de vaincre le frottement. L'avantage du patin magnétique 32 est donc de diminuer la force de frottement en extrémité de la palette mécanique 16 lors du démarrage, ce qui permet un auto-démarrage normal. La simulation numérique montre qu'il est possible d'augmenter encore le rendement en ajoutant des aimants au voisinage de la deuxième zone d'amélioration de l'auto-démarrage Z2 si cela est nécessaire. Toutefois, il n'est plus utile d'augmenter le rendement lorsque l'amplitude nominale est atteinte. La quantité d'aimant à mettre pour optimiser l'impulsion dépend donc du résonateur 100 utilisé et de son facteur de qualité. Si le facteur de qualité est bas, on ajoute plus d'aimants. Si le facteur de qualité est élevé on en met moins. Comme l'arc libre s'effectue sans frottement, excepté le premier choc, la forme de la palette mécanique 16 peut être optimisée pour minimiser les pertes et aussi pour favoriser l'auto-démarrage. En particulier, l'extrémité des palettes (plans d'impulsion) est optimisée pour favoriser le démarrage mais l'angle choisi ne permet plus de transmettre l'impulsion en fonctionnement stationnaire. De plus, il n'est pas nécessaire que les palettes mécaniques 16 des palettes soient des arcs de cercle centrés sur l'axe de rotation du résonateur. Si l'on observe les De façon également optionnelle mais avantageuse, des petits aimants (à faible interaction) sont ajoutés dans la troisième zone Z3 de correction de l'isochronisme, afin d'ajuster l'anisochronisme du résonateur 100 provoqué par le mécanisme d'échappement 100. L'objectif est que cet anisochronisme induit soit compensé par celui du résonateur 100 afin que l'oscillateur total 300 soit parfaitement isochrone. La quantité et la position de ces petits aimants est ajustée par itérations jusqu'à l'obtention de l'effet désiré. En variante il peut aussi s'agir d'une simple surface ferromagnétique, coopérant faiblement avec les aimants 23 des dents 22 de la roue d'échappement 20. Cette troisième zone Z3 s'étend, du point de vue des dents 22 de la roue d'échappement 20, en amont de la première zone de barrière magnétique ; autrement formulé, cette troisième zone Z3 s'étend, par rapport à l'axe d'oscillation OR du résonateur, au-delà de la zone de barrière magnétique Z1, et, par rapport à l'axe de rotation OE de la roue d'échappement 20, au-delà de l'extrémité distale de la palette; quand l'agencement magnétique 30 comporte un patin magnétique 32 définissant une deuxième zone Z2, et une zone d'impulsions associée, la troisième zone Z3 est située, par rapport à l'axe de rotation OE de la roue d'échappement 20, au-delà de la deuxième zone Z2. Afin de garantir une sécurité mécanique, les palettes mécaniques 16 portées par le résonateur 100 pénètrent dans les dents de la roue d'échappement 20 lorsque le résonateur 100 est dans sa position de repos. Les valeurs des pénétrations p1 et p2 sont représentées sur la Au vu des pénétrations p1 et p2, lors du démarrage, le couple appliqué à la roue d'échappement 20 doit être suffisant pour pousser le résonateur 100 hors de sa position de repos afin que les dents puissent passer. Ceci peut rendre l'auto-démarrage difficile lorsque le résonateur est monté sur guidage flexible. L'ajout des patins magnétiques 32 sur les palettes améliore considérablement l'auto-démarrage pour deux raisons. Tout d'abord, la répulsion magnétique a pour effet de réduire le frottement entre les dents et l'extrémité des palettes. D'autre part, cette répulsion décale la position de repos du résonateur du côté adéquat pour que la dent puisse passer. Le résultat est que l'oscillateur est auto-démarrant sur la majorité de la plage de couple utile. L'effet des aimants de la troisième zone Z3 de correction de l'isochronisme est de produire une faible perturbation de la masse inertielle 1, de sorte à ajuster l'anisochronisme de l'échappement, afin qu'il y ait compensation avec l'anisochronisme du résonateur 100. Cette correction d'anisochronisme n'est pas indispensable mais peut se révéler avantageuse suivant le type de résonateur utilisé. Pour réaliser cette zone ferromagnétique ou faiblement aimantée 34, au lieu de disposer des pixels d'aimant de façon régulière comme dans le correcteur d'anisochronisme des Une autre variante est présentée à la Une autre variante encore, dans laquelle le correcteur d'anisochronisme est disposé uniquement sur la palette d'entrée PE est montrée à la Dans une autre variante on peut mettre le correcteur d'anisochronisme uniquement sur les palettes magnétiques du flasque supérieur 15, ou alors uniquement sur les palettes magnétiques du flasque inférieur 17. On peut aussi imaginer une variante dans laquelle l'anisochronisme est ajustable, en variant la distance entre les aimants de la troisième zone Z3 supérieure et les aimants de la troisième zone Z3 inférieure, ce qui a pour effet de varier l'intensité du champ magnétique vu par les aimants 23 de la roue d'échappement 20 lorsqu'ils se trouvent dans la troisième zone Z3. Dans une variante, la troisième zone Z3 contient un excès sacrificiel de fer ou d'aimants, cet excès sacrificiel est prévu pour être, au moins en partie, supprimé sélectivement selon le résultat d'une mesure de l'anisochronisme de l'oscillateur 300 complet, pour le rétablissement de son isochronisme. Plus particulièrement, l'agencement magnétique 30 est réalisé avec un surplus de pixels d'aimants dans la troisième zone Z3, les aimants excédentaires peuvent ensuite être supprimés par ablation laser sélective après avoir effectué une mesure de l'anisochronisme. Dans la variante comportant une plaquette ferromagnétique d'épaisseur variable dans la troisième zone Z3, l'interaction se fait en attraction plutôt qu'en répulsion. L'invention peut donc être réalisée selon différentes configurations, mais toujours avec une première zone barrière magnétique Z1, et notamment et non limitativement:
Il est naturellement possible de faire une inversion technique de l'invention telle que décrite ci-dessus, qui consiste à mettre des aimants ponctuels sur les palettes du résonateur 100, et à agencer sur la roue d'échappement 20 des structures magnétiques plus compliquées, afin de produire les mêmes effets de barrière magnétique, patin magnétique, impulsion et correcteur d'anisochronisme exposés ci-dessus. On remarque que les versions présentées ci-dessus et illustrées, avec des aimants ponctuels sur la roue d'échappement, possèdent l'avantage de minimiser l'inertie de la roue d'échappement 20. Ceci est important pour garantir le bon fonctionnement de l'échappement lorsque l'oscillateur 300 subit des accélérations externes, ce qui est fréquent lors de l'utilisation normale d'une montre, et pour garantir une excellente tenue au porté. L'invention concerne encore un mouvement d'horlogerie 500 comportant au moins un tel oscillateur 300. L'invention concerne encore une montre 1000 comportant au moins un tel mouvement 500 et/ou au moins un tel oscillateur 300. |