CH702314B1 - Palier pour pièce d'horlogerie. - Google Patents

Abstract

Un palier pour pièce d’horlogerie comprenant un coussinet (16) présentant un trou (20) apte à recevoir un pivot (2), est caractérisé en ce que le coussinet (16) est fait dans une matière cristalline et en ce que les faces dudit trou (20) sont planes et situées dans des plans cristallins de ladite matière.

Description

[0001] La présente invention concerne un palier pour un mobile d’une pièce d’horlogerie, notamment pour le balancier d’une pièce d’horlogerie mécanique.

[0002] Dans une pièce d’horlogerie, les axes des mobiles sont généralement terminés par des pivots qui tournent dans des paliers. Ces paliers sont parfois antichoc, c’est-à-dire qu’ils sont conçus pour protéger les fragiles pivots contre les chocs.

[0003] La partie du palier qui reçoit le pivot s’appelle le coussinet. Le coussinet présente un trou de forme cylindrique ou conique qui reçoit un pivot généralement de forme cylindrique ou conique respectivement. Le coussinet est par exemple une pierre percée de part en part associée à une pierre de contre-pivot. Le coussinet peut également être une pièce en matière plastique à trou borgne, comme décrit par exemple dans les brevets CH 563610 et CH 546975.

[0004] Les paliers à trou cylindrique ont pour inconvénient, particulièrement dans le cas du balancier, que les frottements entre le pivot et le coussinet sont importants lorsque l’axe du mobile est en position horizontale (pièce d’horlogerie en position verticale), position dans laquelle la face cylindrique du pivot est en appui contre la paroi cylindrique du trou. Ces frottements nuisent aux performances de la pièce d’horlogerie. Dans le cas du balancier, ils diminuent l’amplitude des oscillations.

[0005] Les paliers à trou conique remédient à cet inconvénient. Ils peuvent en effet recevoir un pivot conique moins évasé que le trou, qui touchera la paroi du trou seulement à son extrémité amincie, réduisant ainsi le rayon de frottement et donc le couple de frottement en position horizontale de l’axe. De tels paliers présentent néanmoins l’inconvénient de manquer de précision et de reproductibilité en ce sens qu’il est difficile de maîtriser la forme et la position du trou conique, en particulier de son fond, lors de la fabrication, rendant le positionnement du pivot imprécis. De plus, si le pivot est plus pointu que le trou, la pointe du pivot sera en appui contre le fond du trou et pourra y être soumise à des pressions très élevées entraînant des risques d’usure. De tels paliers à trou conique sont décrits, par exemple, dans les brevets CH 366186 et CH 375286.

[0006] La présente invention vise notamment à améliorer la précision du positionnement d’un pivot dans un palier et propose, pour ce faire, un palier pour pièce d’horlogerie comprenant un coussinet présentant un trou apte à recevoir un pivot, caractérisé en ce que le coussinet est fait dans une matière cristalline, de préférence monocristalline, et en ce que les faces dudit trou sont planes et situées dans des plans cristallins de ladite matière.

[0007] Le trou du coussinet peut être réalisé par une technique de micro-usinage du type de celles utilisées dans le domaine des circuits intégrés. L’orientation des plans cristallins dans une matière cristalline étant parfaitement définie, la position des faces du trou les unes par rapport aux autres et par rapport aux surfaces extérieures du coussinet et la géométrie et la forme de ces faces seront très précises et reproductibles. La précision d’usinage sera meilleure que celle des coussinets connus à ce jour, à trous cylindriques ou coniques à section circulaire, qui eux sont usinés par des techniques ne tenant pas compte des plans cristallins, telles que l’usinage par laser et par fil d’érosion. Il en découle que la précision du positionnement du pivot, et donc de l’axe du mobile, dans le palier sera améliorée. Le pivot pourra conserver une forme conventionnelle, cylindrique ou conique à section circulaire, lui permettant de tourner dans le coussinet.

[0008] Des modes de réalisation particuliers de l’invention sont définis dans les revendications annexées 3 à 14.

[0009] D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée suivante de plusieurs modes de réalisation de l’invention faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: <tb>–<sep>la fig. 1 est une demi-vue en perspective d’un palier pour pièce d’horlogerie selon un premier mode de réalisation de l’invention coopérant avec un pivot, le palier et le pivot étant montrés dans une position de fonctionnement normal; <tb>–<sep>la fig. 2 est une vue plane de dessus du palier selon le premier mode de réalisation de l’invention; <tb>–<sep>la fig. 3 est une vue en perspective de dessus d’une pièce monobloc déformable faisant partie du palier selon le premier mode de réalisation de l’invention; <tb>–<sep>la fig. 4 est une vue en perspective de dessous de la pièce monobloc déformable; <tb>–<sep>la fig. 5 est une vue en coupe axiale du palier selon le premier mode de réalisation de l’invention prise suivant la ligne V–V de la fig. 2 et montrant le palier lors d’un choc axial; <tb>–<sep>la fig. 6 est une vue en coupe axiale du palier selon le premier mode de réalisation de l’invention prise suivant la ligne VI–VI de la fig. 2 et montrant le palier lors d’un choc radial; <tb>–<sep>la fig. 7 comporte des vues en section schématiques (fig. 7(a) à 7(d)) montrant comment est formé un trou pyramidal du coussinet du palier selon l’invention; <tb>–<sep>la fig. 8 est une demi-vue en perspective d’un palier pour pièce d’horlogerie selon un second mode de réalisation de l’invention coopérant avec un pivot; <tb>–<sep>les fig. 9 à 11 sont des vues en coupe axiale d’un palier pour pièce d’horlogerie selon un troisième, un quatrième et un cinquième mode de réalisation de l’invention, respectivement; <tb>–<sep>la fig. 12 est une vue en coupe axiale partielle d’une variante des premier à cinquième modes de réalisation de l’invention.

[0010] En référence aux fig. 1à 4, un palier 1 selon un premier mode de réalisation de l’invention, servant à y faire tourner une extrémité ou pivot 2 de l’axe 3 d’un mobile d’horlogerie, tel que l’axe d’un balancier, tout en protégeant ce pivot 2 contre les chocs, comprend un corps ou support de palier 4 et une pièce monobloc déformable 5. Le corps 4 et la pièce monobloc déformable 5 sont symétriques autour d’un axe imaginaire 6 qui, en position normale du pivot 2, est confondu avec l’axe imaginaire de symétrie 7 de l’axe de mobile 3.

[0011] Le corps de palier 4 est fixé dans une pièce fixe du mouvement, typiquement une platine ou un pont tel que le coq, par exemple par chassage, ou fait partie de cette pièce fixe. Il comprend une paroi plane 8 transversale à l’axe 6 du palier et une paroi périphérique circulaire 9 constituée de segments circulaires disjoints faisant saillie sur la face extérieure 10 de la paroi plane 8. Les parois 8 et 9 définissent ensemble une cavité 11 ouverte vers l’extérieur et débouchant sur la face intérieure 12 de la paroi plane 8 par l’intermédiaire d’un alésage central 13 traversant la paroi 8. La partie centrale de la paroi 8, qui définit l’alésage 13, comporte un rebord annulaire 14 sur sa face extérieure 10, dans la cavité 11. La face interne de la paroi périphérique 9 définit une gorge circulaire 15 constituée de segments de gorge disjoints.

[0012] La pièce monobloc 5 est disposée dans la cavité 11. Elle comprend une partie centrale cylindrique rigide 16, une partie périphérique circulaire rigide 17, des ailettes 18, de préférence flexibles radialement, faisant saillie sur la face externe de la partie périphérique 17 et des bras élastiques 19 qui s’étendent radialement depuis la périphérie de la partie centrale 16 jusqu’à la partie périphérique 17. La partie centrale 16 est en appui sur le rebord annulaire 14 tandis que les ailettes 18 sont logées et retenues dans la gorge 15 de manière à précontraindre les bras élastiques 19 axialement, c’est-à-dire suivant l’axe 6 du palier, pour maintenir la partie centrale 16 sur le rebord 14 en position normale du palier (position de la fig. 1). Les bras élastiques 19 sont conformés pour que leur raideur dans la direction de l’axe 6 du palier soit plus petite, de préférence beaucoup plus petite, que leur raideur dans le plan radial, perpendiculaire à l’axe 6. Le nombre de bras élastiques 19 peut varier. Il pourrait même être égal à un.

[0013] Dans une autre variante, les bras élastiques 19 pourraient être remplacés par une membrane.

[0014] La partie rigide centrale 16 constitue le coussinet du palier. Elle présente dans sa face intérieure tournée vers l’axe 3 un trou borgne central de forme évasée 20 centré sur l’axe 6 du palier et en regard de l’alésage 13. Ce trou 20 reçoit le pivot 2 de l’axe 3 du mobile qui traverse l’alésage 13. Le pivot 2 a de préférence une forme conique, moins évasée que le trou 20. Ainsi, quelle que soit la position du pivot 2 dans le trou 20, le rayon de frottement entre le pivot 2 et la paroi du trou 20 est petit du fait que le contact entre le pivot 2 et ladite paroi s’effectue à l’extrémité amincie du pivot 2. Le couple de frottement est donc également petit, ce qui permet à l’axe de mobile 3 de tourner dans le palier avec une dissipation d’énergie réduite. Bien que la forme conique soit préférée pour le pivot 2, la présente invention n’exclut pas que celui-ci ait une autre forme, par exemple une forme cylindrique à extrémité arrondie.

[0015] Le palier selon ce premier mode de réalisation de l’invention fonctionne de la manière suivante. Lorsque l’axe de mobile 3 subit un choc axial d’intensité supérieure à un seuil déterminé, qui dépend de la précontrainte des bras élastiques 19, le pivot 2 pousse axialement le coussinet 16 à l’encontre de l’action exercée par les bras élastiques 19 et l’éloigné ainsi de son appui ou butée 14 jusqu’à ce qu’une partie de l’axe 3 plus résistante que le pivot 2, à savoir un épaulement 21, bute contre la face intérieure 12 de la paroi 8 du palier (cf. fig. 5). Les bras élastiques 19 ramènent le coussinet 16 sur son appui 14 après le choc. Lorsque l’axe de mobile 3 subit un choc radial d’intensité supérieure à un seuil déterminé, qui dépend de la précontrainte des bras élastiques 19, l’extrémité du pivot 2 coopère avec la paroi évasée du trou 20, ce qui déplace axialement le coussinet 16 à rencontre de l’action axiale exercée par les bras élastiques 19 (cf. fig. 6). La différence de raideur des bras élastiques 19 dans la direction de l’axe 6 et dans le plan radial fait que ces bras 19 se déforment quasiment uniquement axialement et qu’en conséquence le coussinet 16 se déplace quasiment uniquement axialement pendant ce mouvement radial du pivot 2. La déformation radiale, en compression-traction, des bras 19 est en effet minime, ce qui permet à ces bras 19 de guider axialement le coussinet 16, et ceci sans frottements. Le déplacement radial du pivot 2 s’arrête lorsqu’une partie de l’axe de mobile 3 plus résistante que le pivot 2, à savoir un tigeron 22, bute contre la paroi de l’alésage 13.

[0016] L’assemblage/désassemblage de la pièce monobloc déformable 5 dans le corps de palier 4 est aisé. Pour son assemblage, il suffit en effet d’introduire la pièce 5 dans la cavité 11 avec les ailettes 18 dans les espaces vides entre les segments circulaires de la paroi 9, d’appuyer sur la partie périphérique 17 pour précontraindre les bras élastiques 19 et amener les ailettes 18 au niveau de la gorge 15, puis de faire tourner la pièce 5 pour que les ailettes 18 entrent dans les segments de gorge respectifs 15. Pour son désassemblage, il suffit de faire tourner la pièce 5 de sorte que les ailettes 18 sortent de leurs segments de gorge respectifs 15 pour se placer dans les espaces vides entre les segments circulaires de la paroi 9, puis d’extraire la pièce 2 de la cavité 11. Un tel assemblage/ désassemblage aisé facilite le nettoyage du palier, en cas de besoin.

[0017] Conformément à l’invention, la pièce monobloc déformable 5 est faite dans une matière cristalline, de préférence monocristalline, et la paroi du trou évasé 20 est constituée de faces planes situées dans des plans cristallins respectifs de la matière formant la pièce 5. La géométrie et la profondeur du trou 20 sont ainsi déterminées avec une très grande précision, permettant un positionnement axial et radial précis et reproductible du pivot 2 et donc de l’axe de mobile 3. De plus, le fond 23 du trou 20 peut être extrêmement pointu car défini par l’intersection de plans cristallins. On peut ainsi garantir que le fond 23 sera plus pointu que la pointe 24 du pivot 2, lequel est typiquement réalisé en métal et usiné de manière conventionnelle. De cette manière, la pointe 24 du pivot 2 ne pourra pas toucher le fond 23 du trou 20, ce qui permet de réduire les risques d’usure de cette pointe 24. La matière cristalline ou monocristalline dans laquelle est faite la pièce 5 est par exemple le silicium, le carbure de silicium (SiC), le nitrure de silicium (Si3N4), le dioxyde de zircone (ZrO2), l’arséniure de gallium (GaAs) ou une matière cristalline à base d’alumine (Al2O3) telle que le rubis (naturel ou synthétique) ou le saphir (naturel ou synthétique).

[0018] Dans l’exemple illustré, le trou 20 a une forme pyramidale régulière. Il pourrait néanmoins avoir une autre forme. Le trou 20 pourrait de plus être traversant, plutôt que borgne, et par exemple avoir la forme d’une pyramide tronquée, pour autant que son ouverture sur la face extérieure 25 du coussinet 16 ait un plus petit diamètre que l’extrémité du pivot 2. Dans une autre variante, le trou 20 pourrait être cylindrique à section polygonale, les faces du trou étant situées dans des plans cristallins, et coopérer avec un pivot conique de la manière décrite dans le brevet CH 372604.

[0019] Le trou 20 est formé selon l’une des techniques de micro-usinage utilisées dans le domaine des circuits intégrés et des capteurs, telle que la gravure humide anisotropique. La fig. 7 montre schématiquement comment cette gravure peut être effectuée dans le cas d’une pièce 5 en silicium. Un substrat de silicium 30, dont la structure cristalline est convenablement orientée, est recouvert d’une couche d’oxyde de silicium 31, elle-même recouverte d’une couche de résine photosensible 32 (fig. 5(a)). La résine photosensible 32 est illuminée à travers un masque (non représenté) pour former un trou 33 correspondant au trou à former dans le silicium (fig. 5(b)). La partie exposée de la couche d’oxyde de silicium 31 est ensuite soumise à une attaque chimique, utilisant par exemple l’acide fluorhydrique (HF), pour former dans la couche 31 un trou 34 correspondant au trou à former dans le silicium (fig. 5(c)). La résine photosensible 32 est ensuite enlevée. La couche d’oxyde de silicium 31 peut alors servir de masque pour une attaque chimique de la partie exposée du substrat de silicium 30, par exemple une attaque à l’hydroxyde de potassium (KOH). Cette attaque grave le substrat de silicium 30 en s’arrêtant sur des plans cristallins, formant ainsi le trou 20 (fig. 5(d)). La forme du trou 20 est déterminée par l’orientation de la structure cristalline du substrat de silicium 30 et la forme et les dimensions du masque initial. Plus de détails concernant la gravure humide du silicium et des matériaux cristallins en général peuvent être trouvés par exemple dans l’ouvrage intitulé «Fundamentals of Microfabrication, The Science of Miniaturization, Second Edition», de Marc J. Madou, CRC Press, plus particulièrement dans le chapitre 4 «Wet Bulk Micromachining». La forme de la pièce 5, avec sa partie centrale 16, sa partie périphérique 17, ses bras élastiques 19 et ses ailettes 18 peut être obtenue avant ou après la formation du trou 20 par exemple par la technique de gravure sèche DRIE (Deep Reactive Ion Etching).

[0020] La fig. 8 montre un palier selon un second mode de réalisation de l’invention. Le palier selon ce second mode de réalisation diffère de celui selon le premier mode de réalisation en ce que le corps de palier 4a coopère avec la pièce fixe 38 du mouvement dans laquelle il est fixé, ici le coq, par une liaison filetée. Plus précisément, la face externe de la paroi périphérique circulaire 9a du corps de palier 4a comporte un filetage 36 qui coopère avec un taraudage 37 pratiqué dans la pièce fixe 38. Ce mode d’assemblage du palier et de la pièce fixe 38 permet un réglage de la position axiale du palier, et donc du coussinet 16a, pour faciliter et rendre plus précis le positionnement du pivot. Des moyens de blocage (non représentés), constitués par exemple par une ou plusieurs vis, peuvent être prévus pour verrouiller la position axiale du palier dans la pièce fixe 38.

[0021] La fig. 9 montre un palier selon un troisième mode de réalisation de l’invention. Le palier selon ce troisième mode de réalisation est un palier fixe, c’est-à-dire un palier dont le coussinet est fixe. Le coussinet est désigné à la fig. 9par le repère 40. Il est réalisé dans une matière cristalline, de préférence monocristalline, et présente un trou 41 destiné à recevoir un pivot 42, la paroi de ce trou 41 étant constituée de faces planes situées dans des plans cristallins de ladite matière. La matière cristalline ou monocristalline formant le coussinet 40 est par exemple le silicium, le carbure de silicium (SiC), le nitrure de silicium (Si3N4), le dioxyde de zircone (ZrO2), l’arséniure de gallium (GaAs) ou une matière à base d’alumine (Al2O3) telle que le rubis (naturel ou synthétique) ou le saphir (naturel ou synthétique). Le coussinet 40 est fixé dans une pièce fixe 43 du mouvement, telle qu’un pont ou une platine, par l’intermédiaire d’une bague 44. Plus précisément, le coussinet 40 est chassé dans la bague 44, laquelle est elle-même chassée dans la pièce fixe 43. La bague 44 est telle qu’elle se déforme pendant le chassage pour absorber une partie des contraintes subies par le coussinet 40 et éviter ainsi que le coussinet 40 subisse des ruptures, fissures ou éclats. La bague 44 est typiquement faite dans une matière ductile telle que l’or, le nickel, le cuivre ou un alliage de ceux-ci. La pièce fixe 43 est par exemple faite en laiton ou en maillechort. L’utilisation de cette bague 44 pour la fixation du coussinet 40 présente un intérêt particulier dans le cas d’un coussinet 40 en silicium, car non seulement le silicium est une matière fragile, c’est-à-dire qui ne se déforme pas plastiquement, mais aussi lorsqu’il est usiné par des techniques de micro-usinage, il présente des arêtes très vives qui, sans la bague 44, seraient soumises à des pressions énormes pendant le chassage.

[0022] La fig. 10 montre un palier selon un quatrième mode de réalisation de l’invention. Le palier selon ce quatrième mode de réalisation comprend un coussinet 50 identique au coussinet 40 et fixé à une pièce fixe 53 du mouvement par l’intermédiaire d’une bague 54. La bague 54 comporte un filetage 55 qui coopère avec un taraudage correspondant de la pièce fixe 53. Ce mode d’assemblage de la bague 54 et de la pièce fixe 53 permet un réglage de la position axiale du palier 50, 54, et donc du coussinet 50, pour faciliter et rendre plus précis le positionnement du pivot. Des moyens de blocage (non représentés), constitués par exemple par une ou plusieurs vis, peuvent être prévus pour verrouiller la position axiale du palier 50, 54 dans la pièce fixe 53. Dans l’exemple représenté à la fig. 10, le pivot, désigné par le repère 52, a une forme cylindrique à extrémité arrondie. Il pourrait bien entendu avoir une forme conique.

[0023] La fig. 11 montre un palier selon un cinquième mode de réalisation de l’invention. Le palier selon ce cinquième mode de réalisation est un palier fixe dont le coussinet 60 est une pièce monobloc réalisée dans une matière cristalline, de préférence monocristalline, et qui constitue également un pont ou une platine du mouvement. Ce coussinet 60 peut comprendre un ou plusieurs trous 61 ayant les caractéristiques décrites plus haut en relation avec les autres modes de réalisation, pour recevoir un ou plusieurs pivots respectifs 62. La matière cristalline dans laquelle est fait le coussinet 60 peut être l’une des matières mentionnées plus haut en relation avec les autres modes de réalisation, notamment le silicium.

[0024] Il a été constaté par les présents inventeurs que dans le cas de coussinets en silicium tels que décrits ci-dessus, fabriqués selon une technique de microfabrication, non seulement une grande précision pouvait être obtenue dans la localisation, la géométrie et les dimensions du trou du coussinet et donc dans le positionnement du pivot, mais également le palier pouvait être utilisé sans lubrification avec des pivots coniques en acier. Pour encore améliorer les propriétés tribologiques du coussinet, il est néanmoins possible, comme représenté à la fig. 12, dans chacun des modes de réalisation décrits ci-dessus, de recouvrir la face du coussinet comportant le trou, ou seulement la paroi du trou, d’une couche 70 de matière choisie pour son faible coefficient de frottement. Dans le cas du silicium comme matière cristalline, ce revêtement 70 peut être, par exemple, une couche d’oxyde de silicium, de nitrure ou de carbure de silicium, de diamant ou de carbone amorphe. Ce revêtement 70 améliorera en outre la résistance mécanique du coussinet. Il peut être formé, par exemple, selon une technique de dépôt chimique en phase vapeur CVD (Chemical Vapour Deposition).

Claims (14)

1. Palier pour pièce d’horlogerie comprenant un coussinet (16) présentant un trou (20) apte à recevoir un pivot (2), caractérisé en ce que le coussinet (16) est fait dans une matière cristalline et en ce que les faces dudit trou (20) sont planes et situées dans des plans cristallins de ladite matière.

2. Palier selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite matière est monocristalline.

3. Palier selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit trou (20) a une forme évasée.

4. Palier selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit trou (20) a une forme pyramidale.

5. Palier selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit trou (20) est borgne.

6. Palier selon la revendication 5, caractérisé en ce que le fond (23) dudit trou (20) est pointu.

7. Palier selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ladite matière cristalline est le silicium.

8. Palier selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ladite matière cristalline est l’une des matières suivantes: carbure de silicium, nitrure de silicium, dioxyde de zircone, arséniure de gallium, matière cristalline à base d’alumine.

9. Palier selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que lesdites faces du trou sont recouvertes d’un revêtement (70).

10. Palier selon la revendication 9, caractérisé en ce que le revêtement (70) est fait dans l’une des matières suivantes: oxyde de silicium, nitrure ou carbure de silicium, diamant, carbone amorphe.

11. Palier selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu’il comprend en outre un corps (4) et en ce que le coussinet (16) est monté mobile dans le corps (4) par l’intermédiaire de moyens élastiques (19).

12. Palier selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend une bague déformable (44) par l'intermédiaire de laquelle le coussinet (40) peut être chassé dans une pièce fixe (43) du mouvement de la pièce d'horlogerie.

13. Palier selon l’une quelconque des revendications 1 à caractérisé en ce qu’il comprend un filetage (36; 55) lui permettant d’être assemblé à une pièce fixe (38; 53) du mouvement de la pièce d’horlogerie par une liaison filetée, cette liaison filetée permettant un réglage de la position axiale du palier par rapport à la pièce fixe.

14. Palier selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le coussinet (60) est une pièce monobloc constituant un pont ou une platine du mouvement de la pièce d’horlogerie.