OSCILLATEUR MECANIQUE POUR UNE PIECE D'HORLOGERIE

La présente invention concerne un oscillateur mécanique pour une pièce d'horlogerie, et plus particulièrement un oscillateur mécanique pour une montre bracelet qui présente un haut degré d' isochronisme .

Différents oscillateurs mécaniques ont déjà été proposés pour des montres bracelet. De manière générale, de tels oscillateurs sont conçus sous forme d'un balancier-spiral qui engendre des oscillations définissant la fréquence propre de l'oscillateur. Cette fréquence propre divise le temps en unités rigoureusement identiques afin d'ordonner à l'échappement d'une montre bracelet de régulariser la vitesse de son rouage. Ainsi la précision d'une montre bracelet dépend de la stabilité de fréquence de son balancier-spiral.

Plusieurs paramètres tels que les variations de température, les champs magnétiques et les variations d'amplitude des oscillations du balancier affectent la stabilité de fréquence d'un balancier-spiral. Les variations de température sont susceptibles de provoquer des dilatations thermiques du balancier et du spiral qui engendrent essentiellement une variation du moment d'inertie du balancier ainsi qu'une variation du couple de rappel du spiral. Les champs magnétiques agissent essentiellement sur le spiral et sont susceptibles de perturber voir annuler son action sur le balancier. Les variations d'amplitude des oscillations du balancier sont liées au poids et à l'inertie du balancier et sont susceptibles d'engendrer un défaut d' isochronisme du balancier-spiral. Ainsi, tous ces paramètres sont susceptibles de modifier la fréquence propre du balancier-spiral.

Pour compenser les variations de température, les matériaux utilisés pour la réalisation du balancier et du spiral dans les oscillateurs mécaniques les plus fréquemment utilisés, sont choisis de manière à ce que la variation du moment d' inertie du balancier et la variation du couple de rappel du spiral respectives se compensent. Parmi les solutions proposées, on relèvera notamment l'usage d'un balancier en alliage de cupro-béryllium associé à un spiral réalisé en alliages spécialement étudiés comme par exemple l'invar et élinvar, qui est un alliage de fer-nickel ayant un coefficient de dilatation très faible. Ce type de balancier-spiral est cependant toujours sensible aux champs magnétiques. Ainsi, la recherche de nouveaux alliages utilisables pour la réalisation du spiral est toujours d'actualité, comme le montre par exemple le développement du silinvar' ^™1 . Le résultat auto compensateur de ces alliages est surtout le résultat de deux influences contraires, notamment celle de la température et celle de la magnétostriction sur le module d'élasticité du métal .

Pour compenser les effets des champs magnétiques autrement que par l'emploi des nouveaux alliages spécialement conçus à ce propos, il a aussi été proposé de réaliser le spiral en un matériau amagnétique, comme le quartz par exemple, tout en réalisant le balancier en cupro-béryllium comme décrit ci- dessus. Ce type de balancier-spiral est cependant sensible aux variations de température.

Pour compenser les variations d'amplitude des oscillations du balancier afin de minimiser son défaut d' isochronisme, certains facteurs doivent être pris en considération incluant l'asymétrie de l'expansion et de la contraction du spiral, les changements de l'élasticité du spiral en réponse aux changements de températures, les champs magnétiques, les

points d'attachement du spiral, les forces centrifuges et la gravité, l'équilibrage du balancier, les frottements et les géométries. La minimisation du défaut d' isochronisme est cruciale pour l'optimisation de la précision des montres mécaniques. Ceci consiste dans la réalisation d'un balancier- spiral ayant un haut degré d' isochronisme permettant à celui- ci de générer des oscillations égales et indépendantes de leur amplitude. Ainsi, on emploie fréquemment un balancier aussi léger que possible, avec une inertie aussi grande que possible .

Un exemple d'un balancier-spiral conçu pour remédier aux problèmes décrits ci-dessus est illustré dans le document WO 2004/008529 Al. Ce balancier-spiral est muni d'un balancier composé d'une céramique amagnétique pour laquelle le coefficient de dilatation thermique est positif et inférieur à +l*10 ^~6 K ^"1 . Le spiral est fabriqué à partir d'un composite de fibres de carbone continues de texture torsadée ou parallèle par rapport aux sens axial de la fibre. Ces fibres sont enrobées dans une matrice polymère thermodurcissable, thermoplastique ou céramique. Le coefficient de dilatation thermique de ce composite est négatif et supérieur à -l*10 ^~6 K ^"1 . Plus particulièrement, les matériaux utilisés pour la réalisation du balancier et du spiral sont sélectionnés de manière à ce que les valeurs de leurs coefficients de dilatation thermique soient similaires, très petites et de signes opposés. Ainsi, ce balancier-spiral permet d'obtenir une précision élevée et un fonctionnement plus stable de l'oscillateur grâce à un effet auto compensateur du spiral.

La présente invention a pour but d'au moins réduire considérablement l'effet auto compensateur du spiral. Ainsi, la présente invention propose un balancier-spiral qui est dans de larges plages de températures insensible aux variations de

température pour éviter la dilatation et la variation du moment d'inertie du balancier. Plus généralement, la présente invention a pour but de proposer un balancier-spiral présentant une stabilité de sa fréquence améliorée, tant en ce qui concerne sa sensibilité aux variations de température que d'amplitude, ainsi qu'aux champs magnétiques.

Ce but est atteint par un oscillateur mécanique comportant un balancier et un spiral présentant les caractéristiques • des revendications indépendantes. Des variations d'exécution préférentielles font le sujet des revendications dépendantes.

Plus particulièrement, ce but est atteint par un oscillateur mécanique selon l'invention, caractérisé par la réalisation du balancier et du spiral dans le même matériau. Cette réalisation du balancier et du spiral à partir du même matériau permet d'éviter l'effet compensateur du spiral par rapport au balancier, qui a ainsi une inertie presque constante. De ce fait, l'auto compensation entre le balancier et le spiral devient négligeable.

Les détails de réalisation ainsi que les avantages du balancier-spiral selon l'invention ressortiront de la description détaillée suivante d'une forme d'exécution, donnée à titre d' exemple et illustrée par les dessins annexés qui montrent schématiquement :

Fig. 1 une vue agrandie du dessus d'un oscillateur mécanique selon l' invention,

Fig. 2 une vue agrandie de l'oscillateur mécanique de Fig. 1 en coupe, et

Fig. 3 un schéma représentant des variations de marche diurnes de deux différents oscillateurs mécaniques.

Dans la description détaillée suivante des dessins annexés, les éléments identiques sont désignés par des références d'identification identiques. De manière générale, ces éléments et leurs fonctionnalités sont décrits une seule fois pour raisons de brièveté afin d'éviter des répétitions.

Les Fig. 1 et 2 illustrent à titre d'exemple un oscillateur mécanique de type balancier-spiral comportant un balancier 10 et un spiral 12. Le balancier 10 comprend un arbre 14, une planche 16 montée rigidement sur l'arbre 14 et des masselottes 18, d'un premier type, et 19 d'un deuxième type, une virole 20 et un plateau 22. Le spiral 12 est réalisé en un matériau qui peut, ou non, être le même que celui utilisé pour réaliser la planche 16 du balancier 10.

Selon un mode d'exécution préféré de la présente invention, le spiral 12 est réalisé à partir du même matériau que le balancier 10. Plus spécifiquement, le spiral 12 et la planche 16 du balancier 10 sont réalisés dans le même matériau. Cette réalisation du balancier 10, et/ou de sa planche 16, et du spiral 12 à partir du même matériau permet d'éviter l'effet compensateur du spiral 12 par rapport au balancier 10, qui a ainsi une inertie presque constante. De ce fait, l'auto compensation entre le balancier 10 et le spiral 12 est quasiment négligeable.

Le matériau choisi pour réaliser le balancier 10, et/ou sa planche 16, ainsi que le spiral 12, est de préférence amagnétique et présente l'avantage d'avoir un coefficient de dilatation thermique de 20 à 2*10 ^~10 ppm/°C au maximum. Ce coefficient de dilation thermique est préférablement de 5-10 ^"6

ppm/°C, et encore plus préférablement de 2-10 ⁶ ppm/°C au maximum. La masse volumique du matériau est de préférence comprise dans une plage de 2.0 à 5.0 g/cm ³ , préférablement de 2.5 à 4.5 g/cm ³ , et encore plus préférablement de 3 à 4.0 g/cm ³ .

Selon un mode d'exécution préféré de la présente invention, ce matériau est du diamant ou du diamant de synthèse et, plus généralement un matériau à base de diamant. Néanmoins, d'autres matériaux peuvent être utilisés, comme décrit plus en détail ci-dessous, tels que, par exemple, le quartz, le silicium, le carbone, le titane ou la céramique.

Comme le montre la Fig . 1, l'arbre 14 du balancier 10 présente un axe de symétrie, désigné comme l'axe AA, qui est également son axe de pivotement. L'arbre 14 est classiquement réalisé en acier trempé et comporte une assiette 14a, des portions cylindriques 14b, 14c et 14d disposées de part et d'autre de l'assiette 14a et destinées à recevoir respectivement la virole 20, la planche 16 et le plateau 22. Ses extrémités forment des pivots 14e et 14f destinés à être engagés dans des paliers constitués dans le bâti de la pièce d'horlogerie, non représentés sur le dessin.

La planche 16 comporte un trou central 16a et huit ouvertures orientées radialement et définissant huit bras 16b. Les extrémités extérieures des bras 16b sont reliées entre elles pour former une serge 16c. Cette dernière est percée, dans le prolongement des bras 16b, de trous 16d orientés parallèlement à l'axe AA et dans lesquels les masselottes 18 et 19 sont fixées. La base de la serge 16c peut être réalisée dans un autre matériau que la planche 16. Dans ce cas, lorsque la planche 16 est par exemple réalisée en diamant, un revêtement diamant peut être appliqué à la serge 16c afin d'obtenir les

mêmes caractéristiques physiques pour la serge 16c que pour la planche 16.

Plus particulièrement, selon un mode d'exécution préféré de la présente invention, le balancier 10 et/ou le spiral 12 sont revêtus de nano-particules d'un matériau qui est de préférence amagnétique et présente l'avantage d'avoir un coefficient de dilatation thermique de 20 à 2*10 ^~10 ppm/°C au maximum. Ce coefficient de dilation thermique est préférablement de 5-10 ^"6 ppm/°C, et encore plus préférablement de 2-10 ^"6 ppm/°C au maximum. La masse volumique du dit matériau est de préférence comprise dans une plage de 2.0 à 5.0 g/cm ³ , préférablement de 2.5 à 4.5 g/cm ³ , et encore plus préférablement de 3 à 4.0 g/cm ³ . Préférablement , le balancier 10 et le spiral 12 ont un revêtement en nano-diamant . Ce revêtement est aussi avantageusement applicable à un balancier-spiral connu de l'homme du métier, tel que, par exemple, un balancier-spiral comportant un balancier réalisé en alliage de cupro-béryllium associé à un spiral réalisé en alliages spécialement étudiés comme par exemple l'invar.

Comme on peut le voir plus particulièrement sur la Fig. 2, la planche 16 est en appui contre l'assiette 14a et positionnée par la portion cylindrique 14c. Elle est fixée à l'arbre 14 par des points de colle 24 disposés dans des logements pratiqués dans la périphérie du trou 16a. La virole 20 est chassée sur l'arbre 14 dans sa portion cylindrique 14d, en appui contre la planche 16. Elle porte, monté par collage, le spiral 12.

La planche 16 est formée d'une plaque d'un matériau à faible densité et à faible coefficient de dilation thermique, comme par exemple du diamant, du corindon, du quartz ou du silicium, et dont l'épaisseur est de l'ordre de quelques dixièmes de

millimètres. Plus particulièrement, cette épaisseur est de préférence comprise dans une plage de 0,05 mm à 0,3 mm, et elle a typiquement une valeur de 0,2 mm. Comme mentionné ci- dessus, le spiral 12 est réalisé dans un matériau qui peut, ou non, être le même que celui utilisé pour réaliser le balancier 10 et/ou sa planche 16. Ainsi, le matériau utilisé pour réaliser le spiral 12 peut également être sélectionné parmi les matériaux énumérés à titre d'exemple ci-dessus, c'est-à- dire le diamant, le quartz, le silicium ou le corindon. L'élasticité et la longueur de ces matériaux varient très peu en fonction de la température.

Les masselottes 18 sont formées chacune d'un clou 18a de forme cylindrique ayant un axe de symétrie, désigné dans la Fig. 1 comme l'axe BB, en matériau lourd dont la densité est supérieure à 15 g/cm ³ , par exemple de l'or ou du platine, muni d'une tête 18b et d'un corps 18c, et d'une bague 18d réalisée dans le même matériau. Le corps 18c de chacune des masselottes 18 est engagé dans un trou 16d, la tête 18b étant en appui contre la planche 16. La bague 18d qui lui est associée est fixée de l'autre côté de la planche 16, par chassage, collage ou soudage.

Les masselottes 18 présentent une structure symétrique par rapport à l'axe BB de chacun des clous 18a. De la sorte, lors de changements de température, les clous se dilatent ou se contractent radialement par rapport à l'axe BB, sans que leur centre de gravité ne bouge. En conséquence, en première approximation, cette dilatation ne modifie pas l'inertie du balancier .

Les masselottes 19 présentent un centre de gravité décalé par rapport à l'axe du trou 16d dans lequel elles sont engagées. De la sorte, en les tournant, il est possible de modifier le

moment d' inertie et ainsi corriger la fréquence de l'oscillateur. Afin de permettre cette rotation, les masselottes 19 comportent une portion cylindrique 19a munie de fentes à orientation axiale 19b, permettant une fixation à friction.

Comme mentionné ci-dessus, le matériau utilisé pour réaliser le balancier 10 et le spiral 12 de l'oscillateur mécanique selon la présente invention est susceptible d' être peu sensible à la température. De plus, ce matériau est susceptible d' être conforme aux marges établies par les critères chronométriques de l'horlogerie Suisse énumérés dans la Table 1 illustrée ci-dessous.

Des exemples non limitatifs de matériaux satisfaisants les critères indiqués dans la Table 1, qui sont ainsi utilisables dans le contexte de la présente invention, sont le diamant, le

titane, la céramique et le quartz, comme déjà décrit plus en détail ci-dessus. Ces matériaux ont des propriétés physiques suivantes :

Masse volumique:

- Diamant: 3.515 g/cm ³

- Titane Grade 5: 4.42 g/cm ³

- Céramique AI ₂ O ₃ : 3.9 g/cm ³

- Quartz: 2.6 g/cm ³

Coefficient de dilatation thermique:

- Diamant: 1-10 ^"6 ppm/C°

- Titane Grade 5: 9-10 ^"6 ppm/C°

- Céramique AI ₂ O ₃ : 8 ^• 10 ^"6 ppm/C°

- Quartz: 0.5- 10 ^"6 ppm/C°

Grâce à cette sélection particulière du matériau amagnétique utilisé pour la réalisation du balancier 10, et/ou de sa planche 16, ainsi que du spiral 12, un faible coefficient de dilatation thermique et un rapport masse - rayon optimisé sont obtenus. Plus particulièrement, comme l'oscillateur mécanique des Fig. 1 et 2 comportant le balancier 10 et le spiral 12 est réalisé à partir d'un matériau très stable par rapport à la température, sa fréquence est très stable et varie très peu en fonction de la température. Cette stabilité de fréquence est renforcée grâce au fait que les masselottes 18 ont un centre de gravité fixe par rapport à l'axe du balancier 10. Ceci permet d'atteindre un haut degré d' isochronisme de l'oscillateur mécanique selon un mode préféré d'exécution de la présente invention, comme illustré dans la Fig. 3.

La Fig. 3 illustre un schéma représentant des variations de marche diurnes exemplaires de deux différents oscillateurs mécaniques à titre d'exemple. Ces variations de marche diurnes sont représentées en secondes ( [s] ) sur un axe 41,

dépendamment des différentes températures auxquelles les oscillateurs mécaniques correspondants ont été testés. Ces températures sont représentées en degrés Celsius ([ ⁰ C]] sur un axe 31.

Une première courbe 30 illustre une variation de marche diurne d'une pièce d'horlogerie comportant un oscillateur mécanique standard. Comme le montre la Fig. 3, cette variation de marche diurne est comprise entre un avancement de 6 secondes, comme l'indique le point 32, et un retardement de 4 secondes, comme l'indique le point 34, lorsque la pièce d'horlogerie est testée dans une plage de températures situées entre +8 et +38 ⁰ C.

Une seconde courbe 40 illustre une variation de marche diurne de cette pièce d'horlogerie lorsqu'elle est réalisée avec un oscillateur mécanique selon un mode d' exécution préféré de la présente invention. Comme le montre la Fig. 3, dans ce cas la variation de marche diurne est comprise entre un avancement nul, comme l'indique le point 42, et un retardement d' approximativement 1,3 secondes, comme l'indique le point 44, lors du test de la pièce d'horlogerie dans la plage de températures comprises entre +8 et +38 ⁰ C.

On relèvera néanmoins que cette stabilité de fréquence relative à la température de l'oscillateur mécanique selon l'invention s'ajoute à d'autres avantages obtenus par le choix du matériau utilisé. Par exemple, les matériaux constitutifs du balancier 10 et du spiral 12 étant amagnétiques, un champ magnétique ne pourra pas interagir avec ceux-ci . Seulement dans la configuration décrite ci-dessus, qui emploie l'arbre 14 réalisé en acier trempé, un champ magnétique pourra interagir avec cet arbre 14, mais l'influence de cette interaction est pratiquement nulle.

Enfin, dès lors que la masse spécifique du matériau constitutif de la planche 16 est faible, alors que celle du matériau constitutif des masselottes 18, 19 est élevée, la masse totale du balancier 10 est faible pour un moment d'inertie donné. Il en résulte que le défaut d' isochronisme peut être réduit davantage.

Des masselottes 18, 19 en or ou en platine permettent de réaliser le balancier 10 avec un rapport moment d'inertie/masse particulièrement favorable. Il est aussi possible d'utiliser des matériaux moins coûteux, par exemple du laiton ou de l'invar. Dans ce dernier cas, la dilatation des masselottes 18, 19 pourrait encore être réduite.

De manière générale, les balanciers pour pièces d'horlogerie doivent être équilibrés. Cela peut se faire en enlevant ou en ajoutant de la matière. Cette opération s'effectue de manière particulièrement avantageuse en travaillant sur les masselottes 18, qui présentent une structure symétrique par rapport à leur axe BB. En. plus, au moins une partie desdites masselottes 18 a de préférence une forme cylindrique d'axe BB dans leur portion engagée dans la planche 16. Afin d'éviter que la symétrie de celles-ci ne soit affectée, il est possible d'enlever de la matière soit mécaniquement, soit par un tir au laser, en veillant à ce que cela se fasse de manière régulière sur toute la surface ou symétriquement par rapport à l'axe BB. Il est également possible d'ajouter de la matière par projection sur l'une ou l'autre des masselottes 18, toujours en veillant à garder la symétrie en référence à l'axe BB. Ainsi, la présente invention revendique également un procédé d'équilibrage par enlèvement ou adjonction de matière du/au balancier 10, caractérisé par le fait que de la matière est enlevée d'au moins une desdites masselottes 18 de manière

symétrique en référence à l'axe du cylindre ou par le fait que l'équilibrage est réalisé par adjonction de la matière à au moins l'une des masselottes 18 de manière symétrique en référence à l'axe de son cylindre.

Enfin, le matériau utilisé pour réaliser les masselottes 18 présente préférablement une masse spécifique supérieure à 10. Il peut s'agir notamment de l'or ou du platine, tandis que le balancier 10 et le spiral 12 sont réalisés en diamant. De la sorte, le rapport entre le moment d'inertie et la masse spécifique est particulièrement favorable.

On relèvera aussi que, selon le matériau constitutif de la planche 16, il est également possible d'y ajouter ou d'en supprimer de la matière et plus particulièrement sur la serge 16c.

Bien qu'un mode particulier d'exécution soit décrit ci-dessus, des variations multiples peuvent être apportées à l'oscillateur mécanique selon l'invention sans altérer sa fonctionnalité. En conséquence, toutes ces variations sont également envisagées et généralement contemplées.