d'horlogerie

Domaine technique

[0001] La présente invention concerne un oscillateur tel qu'un ressort spiral destiné à équiper un balancier d'un ensemble de balancier-spiral d'une pièce d'horlogerie mécanique. L'invention concerne également un organe réglant comprenant le ressort spiral.

Etat de la technique

[0002] Les montres mécaniques comportent généralement un organe régulateur composé d'un volant d'inertie appelé balancier sur l'axe duquel est fixe un ressort en spirale appelé ressort spiral ou spiral. Le balancier- spiral oscille autour de sa position d'équilibre à une fréquence qui dépend notamment de la rigidité du spiral et du moment d'inertie du balancier.

[0003] Il est bien connu que l'écart de marche diurne d'un mouvement mécanique dépend essentiellement du balancier-spiral dont la fréquence d'oscillation peut être influencée par des variations des facteurs extérieurs, tels qu'un changement de température ou la présence d'un champ magnétique. 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. [0004] En ce qui concerne les spiraux, on a déjà depuis longtemps, d'une façon encore considérée comme satisfaisante, minimisé les écarts de marche dus aux variations de température en les fabriquant dans des alliages dont l'élasticité reste pratiquement constante dans la gamme de températures usuelles d'utilisation. Il s'agit notamment d'alliages fer-nickel connus sous les dénominations telles que l'Invar ou l'élinvar et permettant, dans la meilleure qualité, d'obtenir un écart de marche de +/- 0,6 seconde par degré en 24h, mais pouvant encore être sensibles à l'effet d'un champ magnétique. Plus récemment, des spiraux fabriqués dans des matériaux amagnétiques tels que le silicium, le quartz, le verre ou le diamant ont été proposés. Pourtant, l'utilisation de ces matériaux en tant que spiral présente toujours certains désavantages, surtout à cause de leur sensibilité au magnétisme et/ou au changement de température.

Bref résumé de l'invention

[0005] La présente invention concerne un oscillateur d'une pièce d'horlogerie mécanique tel qu'un diapason ou surtout un ressort spiral destiné à équiper un balancier d'un ensemble de balancier-spiral. Selon l'invention, l'oscillateur est fabriqué dans un alliage de titane de

comprenant une base de titane, entre 10 at.% et 40% d'au moins l'un des éléments parmi Nb, Ta ou V; entre 0 at.% et 3 at.% d'oxygène, entre 0 at.% et 6 at.% de zirconium; et entre 0 at.% et 5 at.% de hafnium.

[0006] Dans un mode de réalisation, l'alliage comprend entre 55 at.% et 80 at.% de titane, entre 20 at.% et 30% d'au moins l'un des éléments parmi Nb, Ta ou V; entre 0.1 at.% et 3 at.% d'oxygène, entre 0 at.% et 6 at.% de zirconium; et entre 0 at.% et 5 at.% de hafnium. L'alliage peut comprendre également entre 0.3 et 3 at.% d'oxygène.

[0007] Encore dans un mode de réalisation, l'alliage comprend en outre entre 0 at.% et 5 at.% d'aluminium. [0008] Encore dans un autre mode de réalisation, l'alliage comprend entre 0.3 et 3 at.% d'oxygène.

[0009] Encore dans un autre mode de réalisation, l'alliage comprend entre 23 et 27 at.% d'au moins l'un des éléments parmi Nb, Ta ou V, et de manière préférée entre 23 et 27 at.% de Nb.

[0010] Encore dans d'autres modes de réalisation, l'alliage comprend l'une des compositions suivantes: 23% de niobium, 2% de zirconium, 0.7% de tantale, 1 .2% d'oxygène et, de préférence, le reste de titane; ou 24% de niobium, 0.5% d'oxygène et, de préférence le reste de titane; ou 26.32% de niobium, 2% de zirconium, 0.68% de tantale, 1 .1 5% d'oxygène et, de préférence, le reste de titane; ou 25.1 % de niobium, 4.32% d'aluminium et, de préférence, le reste de titane.

[0011] Encore dans un mode de réalisation, l'alliage comprend moins de 0.1 at.% de l'une des impuretés suivantes: silicium, fer, carbone, et azote. [0012] De préférence, l'oscillateur est un ressort spiral, et la présente invention concerne également un ensemble balancier-spiral comprenant ledit spiral, ainsi qu'un mouvement horloger comprenant l'ensemble balancier-spiral.

[0013] Un avantage de l'oscillateur de l'invention est son faible coefficient thermoélastique (CTE) réduisant la nécessité de thermocompensation du ressort spiral. La fréquence propre d'oscillation de l'ensemble balancier-spiral est donc plus stable en fonction de la

température. De plus, le ressort spiral de l'invention est pratiquement insensible aux champs magnétiques et la marche de l'ensemble balancier- spiral ne sera donc pas perturbé par de tels champs magnétiques. D'autres avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit. Brève description des figures

[0014] Des exemples de mise en œuvre de l'invention sont indiqués dans la description illustrée par les figures annexées dans lesquelles:

la figure 1 montre une vue du dessus d'un ensemble balancier- spiral destiné à un mouvement horloger, selon un mode de réalisation;

la figure 2 montre une vue en coupe axiale de l'ensemble balancier-spiral, selon un mode de réalisation; et

les figures 3, 4, et 5 montrent l'évolution du module de Young selon la température, ainsi que le CTE, sur différents échantillons des alliages de titane concernés par l'invention.

Exemple(s) de mode de réalisation de l'invention [0015] Les figures 1 et 2 illustrent à titre d'exemple un ensemble balancier-spiral 1 destiné à un mouvement horloger. La figure 1 montre une vue du dessus de l'ensemble balancier-spiral 1 comprenant un balancier 2 et un ressort spiral (ou spiral) 3. Le balancier 2 comprend une serge 4 et deux bras radiaux 5 faits d'une seule pièce avec la serge 4. Le balancier 2 est monté sur un arbre 6 qui peut être fabriqué de manière classique en acier ou dans tout autre matériau. Se référant à la figure 2 qui est une vue en coupe axiale de l'ensemble balancier-spiral 1 , est également représenté un double plateau d'échappement 7 et une cheville d'impulsion 8, destinés à coopérer avec une ancre (non représentée). L'extrémité intérieure du spiral 31 peut être fixée à l'arbre 6, par exemple, par l'intermédiaire d'une virole 9. L'extérieur du spiral 32 peut être fixé sur le balancier 2, par exemple par l'intermédiaire d'un piton (non représenté). Les autres éléments de l'organe réglant sont conventionnels et ne sont pas

représentés dans les figures 1 et 2. Il est cependant admis que le balancier est mis en mouvement, par exemple, grâce à l'énergie apportée par une roue d'échappement et une ancre d'échappement. [0016] Dans un mode de réalisation, le spiral 3 est réalisé dans un alliage de titane, notamment de type β, qui possède un module de Young (ou module d'élasticité) très bas et une limite de déformation élastique σ très haute par rapport à ceux d'un métal conventionnel. Plus particulièrement, l'alliage comprend du titane, au moins l'un des éléments parmi le tantale, le niobium et le vanadium, et de l'oxygène. L'alliage peut également comprendre du zirconium et/ou du hafnium.

[0017] Dans un mode de réalisation, l'alliage de titane a une

composition comprenant (en pourcentages atomiques) entre 55 at.% et 80 at.% de titane, entre 20 at.% et 30% d'au moins l'un des éléments parmi Nb, Ta ou V; entre 0.1 at.% et 3 at.% d'oxygène, entre 0 at.% et 6 at.% de zirconium; et entre 0 at.% et 5 at.% de hafnium.

[0018] Dans un mode de réalisation avantageux, l'alliage de titane a une composition comprenant (en pourcentages atomiques):

une base titane;

entre 10% et 40% d'au moins l'un des éléments parmi le niobium, vanadium ou tantale;

entre 0% et 3% d'oxygène;

entre 0% et 6% de zirconium;

entre 0% et 5% de hafnium;

entre 0% et 5% d'aluminium.

[0019] La composition de l'alliage de titane peut également comprendre des impuretés comprenant typiquement moins de 0.5% de silicium, moins de 0.5% de fer, moins de 0.5% de carbone, et moins de 0.5% d'azote. [0020] En particulier, l'alliage de titane comprend entre 10% et 40% d'au moins l'un des éléments parmi le niobium, vanadium ou tantale; entre 0% et 3% d'oxygène; entre 0% et 6% de zirconium; entre 0% et 5% de hafnium; entre 0% et 5% d'aluminium; moins de 2% d'impuretés; et le reste de titane. [0021] De façon préférée, la composition de l'alliage de titane

comprend entre 23 at.% et 27 at.% d'au moins l'un des éléments parmi Nb, Ta ou V, et de façon plus préférée l'alliage comprend entre 23 et 27 at.% de Nb. [0022] Dans une variante, l'alliage comprend entre 0.6 et 0.7 at.% de Ta. Encore dans une variante, l'alliage comprend entre 1 .1 et 1.2 at.%

d'oxygène. Encore dans une autre variante, l'alliage comprend 2 at.% de Zr.

[0023] Encore de façon préférée, la composition de l'alliage de titane comprend l'une des compositions suivantes (en pourcentages atomiques):

Composition 1 : 23% de niobium, 2% de zirconium, 0.7% de tantale, 1 .2% d'oxygène et, de préférence, le reste de titane.

Composition 2 : 24% de niobium, 0.5% d'oxygène et, de préférence, le reste de titane.

Composition 3 : 26.32% de niobium, 2% de zirconium, 0.68% de tantale, 1 .1 5% d'oxygène et, de préférence, le reste de titane.

Composition 4 : 25.1 % de niobium, 4.32% d'aluminium et, de préférence, le reste de titane.

[0024] Dans les gammes de température et aux tolérances spécifiques requises par l'industrie horlogère, l'alliage de titane a des propriétés avantageuses par rapport à d'autres matériaux incluant d'autres types d'alliages à base de titane. La table 1 compare certaines propriétés physiques de l'alliage de titane qui fait l'objet de cette invention avec un alliage de titane grade 2, un alliage de titane grade 5 et un alliage de type élinvar. Les données de la table 1 se réfèrent à la composition 1 : Ti- 23%Nb-0.7%Ta-2%Zr-1 .2 %0 (%at). D'autres compositions peuvent également comprendre Ti-9%Nb-12%Ta-3%V-6%Zr-1 .5 %0 (%at.) réf. [Saito et al. Science 300 (2003) 464-467], Ti-20%Nb-0.7%Ta-2%Zr-2 %0 (%at.) réf. [T. Furuta et al. Mater. Trans. (2007) 1 124-1 130] ou Ti-25.1 %Nb- 4.32%AI (%at.) réf. [Matlakhova et al. Revista Metéria 1 1 -1 (2007) 41 -47]. Ces résultats montrent que, en comparaison avec les autres alliages de titane et de l'élinvar, l'alliage de titane considéré a une densité inférieure, un module de Young inférieur et un coefficient thermoélastique (CTE) β inférieur. Tout comme les autres alliages de titane, et contrairement à l'élinvar, l'alliage de titane considéré est non ferromagnétique. L'alliage de titane considéré peut également avoir un taux d'écrouissage supérieur à 90%. (réf. [Saito et al. Science 300 (2003) 464-467], [S. Kuramoto et al.

Mater. Se. Eng A442 (2006) 454-457], [M. Tane et al. Acta Mater. 61 (2013) 139-1 50]).

Table 1

[0025] Le spiral 3 en alliage titane selon la présente invention sera susceptible d'être peu sensible à la température. Sa fréquence est très stable et varie très peu en fonction de la température. De plus, ce matériau est susceptible d'être conforme aux marges établies par les critères chronométriques de l'horlogerie Suisse.

[0026] Par sa densité plus faible, le spiral 3 de l'invention a l'avantage d'un déplacement plus faible de son centre de masse dû à sa gravité. Le spiral 3 s'affaisse donc moins sous son propre poids. L'effet du

déplacement du centre de masse sur la marche de la montre est également plus faible. En effet, le couple perturbant la marche de la montre à cause du déplacement du centre de masse est directement proportionnel à la masse du spiral. Dans le cas où le spiral a un grand diamètre, l'impact de l'inertie du spiral par rapport à l'inertie du balancier sera d'autant plus faible. Le spiral en alliage de titane plus léger permet également d'avoir une fréquence d'oscillation et donc une résolution plus grande qu'un spiral conventionnel. En d'autres termes il est possible de réaliser un ressort spiral qui a la même fréquence d'oscillation élevée qu'un spiral connu de plus petite taille. [0027] Le faible module de Young du spiral 3 fabriqué dans l'alliage de titane concerné permet d'augmenter l'épaisseur du spiral 3, par exemple par rapport à un spiral en élinvar, pour une même raideur. Les imprécisions dans la fabrication du spiral 3 résultant dans une variation d'épaisseur du spiral auront donc moins d'influence sur la raideur du spiral 3. Autrement dit, à épaisseur égale, le ressort spiral en alliage de titane pourra avoir une hauteur plus grande qu'un ressort en élinvar conventionnel et donc, un affaissement plus faible du ressort spiral 3 lorsque ce dernier est agencé dans le plan d'un mouvement horloger.

[0028] Le spiral 3 régule la période d'oscillation du balancier 2. La précision d'un mouvement d'une montre mécanique dépend de la stabilité de la fréquence propre de l'oscillateur formé du balancier-spiral 1 . Lorsque la température varie, les dilatations thermiques du spiral 3 et du balancier 2, ainsi que la variation du module de Young du spiral 3, modifient la fréquence propre de cet ensemble oscillant, perturbant la précision de la montre.

[0029] Le spiral 3 en alliage de titane qui fait l'objet de cette invention est diamagnétique et n'est donc pas perturbé par un champ magnétique.

[0030] Par ailleurs, l'alliage de titane présente un coefficient de dilatation thermique dont l'amplitude est environ dix fois plus faible que celui des alliages de titane grade 2 et 5 et de l'élinvar (voir table 1). La sensibilité du spiral 3 aux variations de températures est donc très faible et la fréquence propre du balancier-spiral 1 comprenant le spiral 3 sera donc très peu influencée par ces variations de température. Le procédé de fabrication du spiral 3 peut donc être simplifiée par rapport à celle d'un spiral thermocompensé, par exemple par l'application d'un revêtement supplémentaire à la surface du spiral. Il est cependant possible de compenser thermiquement le spiral 3. Par exemple, le coefficient

thermoélastique β de l'alliage de titane peut être modifié par un

traitement thermique de l'alliage ou par déformation à froid. [0031] les figures 3 et 4 reportent des mesures expérimentales du module de Young (E) et du CTE en fonction de la température pour l'alliage de titane selon la composition 1 (figure 3) et la composition 3 (figure 4). La figure 5 reporte des valeurs de l'évolution du module de Young (E) et du CTE selon la température dans le pour l'alliage de titane selon la composition 4 mesurées par Matlakhova et al. dans Revista Metéria 1 1 -1 (2007) 41 -47.

[0032] Dans un mode de réalisation, le balancier 2 est également réalisé dans le même alliage de titane que celui utilisé pour fabriquer le spiral 3. La réalisation du balancier 2 et du spiral 3 à partir du même alliage permet d'éviter l'effet compensateur du spiral 3 par rapport au balancier 2, qui a ainsi une inertie presque constante. De ce fait, l'auto compensation entre le balancier et le spiral devient négligeable.

[0033] De façon alternative, le balancier 2 peut également être fabriqué dans d'autres matériaux et possédant des caractéristiques favorables à la fabrication d'un balancier destiné à être utilisé dans un ensemble balancier- spiral d'une pièce d'horlogerie. Des exemples de ces matériaux pour le balancier 2 comprennent, en autres, le silicium, le quartz, le verre, le carbure de silicium, ou la céramique. Ces matériaux sont appréciés pour leur légèreté, leur élasticité, leur caractère amagnétique, favorisant leur utilisation dans le domaine précité. [0034] Encore dans un mode de réalisation, le spiral 3 (et le balancier 2) peut être réalisé à l'aide d'un procédé de découpe laser, de découpe par fil, d'usinage, de laminage, de tréfilage ou d'un procédé équivalent. Le spiral 3 peut également être réalisé à l'aide d'un procédé de laminage et déformation, ou tout autre procédé approprié. Un traitement de surface peut également être appliqué au ressort spiral ainsi réalisé.

[0035] A la place d'un spiral 3, l'oscillateur de la présente invention peut avoir d'autres formes, tel que notamment un diapason.

Numéros de référence employés sur les figures

1 ensemble balancier-spiral

2 balancier

3 ressort spiral

4 serge

5 bras radiaux

6 arbre

7 double plateau d'échappement

8 cheville d'impulsion

9 virole

31 extrémité intérieure du spiral

32 extérieur du spiral du spiral