CH705127A2 - Resonator for use in clock element, has springs, where material of one spring comprises thermoelastic coefficient that varies in direction opposite to direction of thermoelastic coefficient of another material of another spring - Google Patents
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Abstract
Description
Domaine de l’inventionField of the invention
[0001] L’invention se rapporte à un résonateur du type balancier - spiral qui est thermocompensé. [0001] The invention relates to a resonator of the balance-spring type which is thermocompensated.
Arrière plan de l’inventionBackground of the invention
[0002] Le document EP 1 039 352 divulgue un ressort-spiral en alliage particulier dont la surface externe comporte un revêtement d’oxyde. Le document divulgue un ressort-spiral qui est thermocompensé c’est-à-dire que, notamment, son coefficient thermoélastique, également appelé coefficient thermique du module d’Young, reste sensiblement proche de zéro. Cependant, le ressort est très difficile à mettre en œuvre ce qui occasionne un taux de rebut et un prix de revient qui sont très élevés. [0002] Document EP 1 039 352 discloses a spiral spring made of a particular alloy, the outer surface of which has an oxide coating. The document discloses a spiral spring which is thermocompensated, that is to say that, in particular, its thermoelastic coefficient, also called the thermal coefficient of the Young's modulus, remains substantially close to zero. However, the spring is very difficult to implement which gives rise to a scrap rate and a cost price which are very high.
Résumé de l’inventionSummary of the invention
[0003] Le but de la présente invention est de pallier tout ou partie les inconvénients cités précédemment en proposant une solution alternative plus simple qui autorise une grande précision de fabrication tout en permettant une mise en œuvre aisée. The object of the present invention is to overcome all or part of the drawbacks mentioned above by providing a simpler alternative solution which allows high manufacturing precision while allowing easy implementation.
[0004] A cet effet, l’invention se rapporte à un résonateur comportant un balancier monté sur un axe de pivotement, un premier ressort-spiral monté sur ledit axe à l’aide d’une première virole, un deuxième ressort-spiral monté sur ledit axe à l’aide d’une deuxième virole caractérisé en ce que le matériau du premier ressort-spiral comporte un coefficient thermoélastique qui varie dans le sens opposé à celui du matériau du deuxième ressort-spiral afin de diminuer la sensibilité de la fréquence dudit résonateur aux variations de température. [0004] To this end, the invention relates to a resonator comprising a balance mounted on a pivot axis, a first balance spring mounted on said axis using a first ferrule, a second balance spring mounted on said axis using a second ferrule, characterized in that the material of the first spiral spring comprises a thermoelastic coefficient which varies in the direction opposite to that of the material of the second spiral spring in order to reduce the frequency sensitivity of said resonator to temperature variations.
[0005] On comprend donc que la compensation thermique est obtenue par les variations distinctes des modules d’Young des premier et deuxième spiraux. Par conséquent, tous les couples de matériaux peuvent être envisagés sans être limité par leurs procédés de fabrication. Il est ainsi possible de réaliser par calcul la compensation au premier, et éventuellement au deuxième ordre, de la dépendance thermique de l’oscillateur, c’est-à-dire le résonateur balancier - spiraux avec son système de distribution comme un système d’échappement du type à ancre suisse. [0005] It is therefore understood that the thermal compensation is obtained by the distinct variations of the Young's moduli of the first and second balance-springs. Consequently, all pairs of materials can be considered without being limited by their manufacturing methods. It is thus possible to carry out by calculation the compensation to the first, and possibly to the second order, of the thermal dependence of the oscillator, that is to say the balance-spring resonator with its distribution system as a system of Swiss lever type escapement.
[0006] Conformément à d’autres caractéristiques avantageuses de l’invention: les premier et deuxième ressorts-spiraux sont enroulés dans le même sens ou en sens opposés; les extrémités reliant lesdites viroles des premier et deuxième ressorts-spiraux sont à l’aplomb l’une de l’autre ou décalées; les extrémités opposées à celles reliant lesdites viroles des premier et deuxième ressorts-spiraux sont à l’aplomb l’une de l’autre ou décalées; le premier ressort-spiral est monté entre le balancier et le deuxième ressort-spiral ou le balancier est monté entre les deux ressorts-spiraux; au moins une des viroles est venue de forme avec son ressort-spiral associé; au moins un des matériaux des ressorts-spiraux est paramagnétique; le premier matériau est un alliage FeNi36 du type invar et le deuxième matériau est de l’aluminium ou du palladium; le premier matériau est du silicium cristallin et le deuxième matériau est du dioxyde de silicium.[0006] According to other advantageous features of the invention: the first and second spiral springs are wound in the same direction or in opposite directions; the ends connecting said ferrules of the first and second spiral springs are plumb with each other or offset; the ends opposite to those connecting said ferrules of the first and second spiral springs are plumb with each other or offset; the first spiral spring is mounted between the balance and the second balance spring or the balance is mounted between the two spiral springs; at least one of the ferrules is formed with its associated spiral spring; at least one of the materials of the spiral springs is paramagnetic; the first material is an FeNi36 alloy of the invar type and the second material is aluminum or palladium; the first material is crystalline silicon and the second material is silicon dioxide.
[0007] L’invention se rapporte également à une pièce d’horlogerie caractérisée en ce qu’elle comporte un résonateur conforme à l’une des variantes précédentes. [0007] The invention also relates to a timepiece characterized in that it comprises a resonator in accordance with one of the preceding variants.
Description sommaire des dessinsBrief description of the drawings
[0008] 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: - la fig. 1<sep>est une représentation une pièce d’horlogerie selon l’invention; - la fig. 2<sep>est une représentation d’une variante de l’invention.[0008] Other features and advantages will emerge clearly from the description which is given below, by way of indication and in no way limiting, with reference to the accompanying drawings, in which: FIG. 1 <sep> is a representation of a timepiece according to the invention; - fig. 2 <sep> is a representation of a variation of the invention.
Description détaillée des modes de réalisation préférésDetailed description of the preferred embodiments
[0009] L’invention se rapporte à un résonateur 1 et plus particulièrement à un résonateur du type balancier 4 - spiral 13, 13 ́, 14, 14 ́ pour une pièce d’horlogerie 3. [0009] The invention relates to a resonator 1 and more particularly to a resonator of the balance 4 type - hairspring 13, 13 ', 14, 14' for a timepiece 3.
[0010] Comme visible à la fig. 1, la pièce d’horlogerie 3 selon l’invention comporte une architecture classique à part l’utilisation de deux ressorts-spiraux 13, 13 ́, 14, 14 ́ en parallèle. Ainsi, le résonateur 1 du type balancier. 4 - spiral 13, 13 ́, 14, 14 ́ est monté entre une platine 6 et un coq 7 par l’intermédiaire d’un axe 5 de balancier. As visible in FIG. 1, the timepiece 3 according to the invention comprises a conventional architecture apart from the use of two spiral springs 13, 13 ́, 14, 14 ́ in parallel. Thus, the resonator 1 of the pendulum type. 4 - hairspring 13, 13 ́, 14, 14 ́ is mounted between a plate 6 and a cock 7 by means of a balance axis 5.
[0011] Selon l’invention, le balancier 4 et les ressorts-spiraux 13, 13 ́, 14, 14 ́ sont montés sur l’axe 5. Les ressorts-spiraux 13, 13 ́, 14, 14 ́ sont rendus solidaires dudit axe 5 respectivement par les viroles 11, 11 ́, 12, 12 ́. Dans l’exemple illustré à la fig. 1, le premier ressort-spiral 13 est monté entre le balancier 4 et le deuxième ressort-spiral 14. According to the invention, the balance 4 and the spiral springs 13, 13 ́, 14, 14 ́ are mounted on the axis 5. The spiral springs 13, 13 ́, 14, 14 ́ are made integral with said axis 5 respectively by the ferrules 11, 11 ́, 12, 12 ́. In the example illustrated in fig. 1, the first spiral spring 13 is mounted between the balance 4 and the second spiral spring 14.
[0012] Bien entendu, de manière alternative, le balancier 4 peut également être monté entre les deux ressorts-spiraux 13, 14 sans que le fonctionnement en soit altéré. Of course, alternatively, the balance 4 can also be mounted between the two spiral springs 13, 14 without the operation being altered.
[0013] Avantageusement selon l’invention, le résonateur 1 comporte deux ressorts-spiraux 13, 13 ́, 14, 14 ́, le matériau du premier ressort-spiral 13, 13 ́ comportant un coefficient thermoélastique qui varie dans le sens opposé à celui du matériau du deuxième ressort-spiral 14, 14 ́ afin de diminuer la sensibilité de la fréquence dudit résonateur aux variations de température. Advantageously according to the invention, the resonator 1 comprises two spiral springs 13, 13 ́, 14, 14 ́, the material of the first spiral spring 13, 13 ́ comprising a thermoelastic coefficient which varies in the direction opposite to that of the material of the second spiral spring 14, 14 ́ in order to reduce the sensitivity of the frequency of said resonator to temperature variations.
[0014] En effet, ii s’est avéré que la fabrication d’un unique spiral composé de deux matériaux différents peut être très difficile à réaliser. Il a donc été imaginé de former deux spiraux distincts dont chacun peut être fabriqué avec un procédé optimisé au matériau utilisé, c’est-à-dire le meilleur procédé quant à la qualité géométrique et le taux de rebut en fonction du matériau. Typiquement, la fabrication pour chaque spiral 13, 13 ́, 14, 14 ́ peut être positive, c’est-à-dire en ajoutant/modifiant de la matière, et/ou négative, c’est-à-dire en enlevant de la matière. De manière non limitative, on peut ainsi citer la coulée, la déformation à chaud, le processus LIGA, l’électroformage, le gravage sec ou humide, le frittage, le dépôt en phase vapeur ou le tréfilage. [0014] Indeed, it has turned out that the manufacture of a single balance-spring made of two different materials can be very difficult to achieve. It was therefore imagined to form two separate balance springs, each of which can be manufactured with a process optimized for the material used, that is to say the best process in terms of geometric quality and the scrap rate depending on the material. Typically, the fabrication for each hairspring 13, 13 ́, 14, 14 ́ can be positive, i.e. by adding / modifying material, and / or negative, i.e. by removing material. matter. In a nonlimiting manner, one can thus cite casting, hot deformation, the LIGA process, electroforming, dry or wet etching, sintering, vapor deposition or wire drawing.
[0015] Ainsi, tous les couples de matériaux peuvent être envisagés et le procédé n’a pas à être adapté pour faire au mieux par rapport aux matériaux qui doivent être monté l’un sur l’autre. [0015] Thus, all pairs of materials can be considered and the process does not have to be adapted to do the best in relation to the materials which must be mounted one on top of the other.
[0016] Comme visible aux fig. 1et 2, les deux spiraux 13, 13 ́, 14, 14 ́ étant en parallèle, la fréquence /du système considéré s’écrit de la manière suivante: As visible in FIGS. 1 and 2, the two balance springs 13, 13 ́, 14, 14 ́ being in parallel, the frequency / of the system considered is written as follows:
Où: - ƒ est la fréquence du résonateur en Hz; - Ci, sont les couples élastiques des spiraux en N·m·rad<-><1> avec i =1,2; - Ei le module de Young de la matière dont est constitué le spiral i ei N·m<-><2>; - hi, ei, Li sont la hauteur, l’épaisseur et la longueur du spiraux i en m; - I est le moment d’inertie du balancier en kg·m<2>; - m sa masse en kg; - r son rayon de giration en m. Or: - ƒ is the frequency of the resonator in Hz; - Ci, are the elastic torques of the spirals in N · m · rad <-> <1> with i = 1,2; - Ei the Young's modulus of the material of which the spiral i ei N · m <-> <2> is made; - hi, ei, Li are the height, thickness and length of the balance springs i in m; - I is the moment of inertia of the balance in kg · m <2>; - m its mass in kg; - r its radius of gyration in m.
[0017] En supposant les matériaux isotropes et en ne considérant que la dépendance thermique au premier ordre, la modification relative de fréquence s’écrit: [0017] Assuming isotropic materials and considering only the first order thermal dependence, the relative change in frequency is written:
Où: représente la variation relative de la fréquence ƒ en fonction de la température T; représente le coefficient thermoélastique du spiral i (CTEi), c’est-à-dire la variation du module d’Young du spiral i (Ei) en fonction de la température (T); - αspi.i est le coefficient de dilatation du spiral i; - αbalest le coefficient de dilatation du balancier. Where: represents the relative variation of the frequency ƒ as a function of the temperature T; represents the thermoelastic coefficient of the hairspring i (CTEi), that is to say the variation of the Young's modulus of the hairspring i (Ei) as a function of the temperature (T); - αspi.i is the expansion coefficient of the hairspring i; - αbal is the coefficient of expansion of the balance.
[0018] Il est intéressant de remarquer que la compensation dépend des coefficients thermiques des deux spiraux 13, 13 ́, 14, 14 ́ selon des proportions qui elles dépendent des couples élastiques Ci, C2. Ainsi, pour annuler la dépendance thermique de la fréquence du résonateur 1, il est possible de choisir deux matériaux qui satisfont aux exigences horlogères et thermiques, avec typiquement des coefficients thermoélastiques CTE1, CTE2 de signe opposé, mais aussi d’adapter la géométrie des spiraux afin de leur conférer des couples élastiques C1, C2 déterminés. It is interesting to note that the compensation depends on the thermal coefficients of the two balance-springs 13, 13 ́, 14, 14 ́ in proportions which depend on the elastic torques Ci, C2. Thus, to cancel the thermal dependence of the frequency of resonator 1, it is possible to choose two materials which satisfy watchmaking and thermal requirements, typically with thermoelastic coefficients CTE1, CTE2 of opposite sign, but also to adapt the geometry of the balance springs. in order to give them elastic torques C1, C2 determined.
[0019] Un développement similaire peut être fait au deuxième ordre de perturbation. Le paramètre le plus important dans ce cas est généralement le coefficient thermoélastique du 2<é><me>ordre (CTFi<(><2><)>) qu’on définit ici en approchant la dépendance thermique des modules d’Young par la fonction suivante: Ei(T) = Ei · (1 + CTEi<(1)>· ΔT + CTEi<(><2><)>ΔT<2>) [0019] A similar development can be made at the second order of disturbance. The most important parameter in this case is generally the thermoelastic coefficient of the 2 <é> <me> order (CTFi <(> <2> <)>) which one defines here by approaching the thermal dependence of the Young moduli by the following function: Ei (T) = Ei (1 + CTEi <(1)> ΔT + CTEi <(> <2> <)> ΔT <2>)
[0020] Il est donc possible de trouver des couples de matériaux qui permettent de compenser au premier, et éventuellement au deuxième ordre, la dépendance thermique de l’oscillateur, c’est-à-dire le résonateur 1 balancier - spiraux avec son système de distribution comme un système d’échappement du type à ancre suisse. [0020] It is therefore possible to find pairs of materials which make it possible to compensate for the first, and possibly the second order, the thermal dependence of the oscillator, that is to say the resonator 1 balance - springs with its system valve as a Swiss lever type exhaust system.
[0021] Des calculs ont été réalisés afin de déterminer des exemples de couples élastiques C1, C2 pour les spiraux 13, 13 ́, 14, 14 ́ afin d’annuler la dépendance thermique de la fréquence de résonance, tout en obtenant la bonne fréquence. Calculations were carried out in order to determine examples of elastic torques C1, C2 for the spirals 13, 13 ́, 14, 14 ́ in order to cancel the thermal dependence of the resonant frequency, while obtaining the right frequency .
[0022] Le tableau ci-dessous propose, de manière non limitative, divers couples de matériaux pour obtenir un résonateur à 4 Hz avec un balancier 4 en CuBe d’inertie 16 mg · cm<2>: [dy·cm·rad<-><1> [dy·m·rad<-><1> Spiral 1<sep>Spiral 2<sep>C1]<sep>C2] Si<sep>SiO2<sep>6,8<sep>3,3 Al<sep>Invar<sep>3,1<sep>7,0 Pd<sep>Invar<sep>6,1<sep>4,0The table below provides, without limitation, various pairs of materials to obtain a resonator at 4 Hz with a balance 4 in CuBe of inertia 16 mg · cm <2>: [dy cm rad <-> <1> [dy m rad <-> <1> Spiral 1 <sep> Spiral 2 <sep> C1] <sep> C2] Si <sep> SiO2 <sep> 6 , 8 <sep> 3.3 Al <sep> Invar <sep> 3.1 <sep> 7.0 Pd <sep> Invar <sep> 6.1 <sep> 4.0
[0023] Préférentiellement selon l’invention, les premier et deuxième ressorts-spiraux 13, 14 sont enroulés dans le même sens pour améliorer l’isochronisme. De plus, les extrémités opposées à celles reliant lesdites viroles 11,12 des premier et deuxième ressorts-spiraux 13, 14 ne sont pas à l’aplomb l’une de l’autre comme illustré à la fig. 1mais décalées afin de faciliter leur montage dans des pitons 15, 16 solidaires du coq 7. [0023] Preferably according to the invention, the first and second spiral springs 13, 14 are wound in the same direction to improve isochronism. In addition, the ends opposite to those connecting said ferrules 11, 12 of the first and second spiral springs 13, 14 are not plumb with each other as illustrated in FIG. 1but staggered in order to facilitate their assembly in pegs 15, 16 integral with the cock 7.
[0024] Toutefois, de manière alternative, les premier et deuxième ressorts-spiraux 13 ́, 14 ́ peuvent être enroulés en sens opposés comme illustré à la fig. 2et les extrémités opposées à celles reliant lesdites viroles des premier et deuxième ressorts-spiraux 13 ́, 14 ́ peuvent être à l’aplomb l’une de l’autre en étant reliées par un piton unique comme illustré à la fig. 2. [0024] However, alternatively, the first and second spiral springs 13 ́, 14 ́ can be wound in opposite directions as illustrated in FIG. 2and the ends opposite to those connecting said ferrules of the first and second spiral springs 13 ́, 14 ́ may be plumb with each other by being connected by a single eyelet as illustrated in FIG. 2.
[0025] De manière similaire, les extrémités reliant lesdites viroles 11, 11 ́, 12, 12 ́ des premier et deuxième ressorts-spiraux 13, 13 ́, 14, 14 ́ peuvent être à l’aplomb l’une de l’autre comme à la fig. 2 ou non, c’est-à-dire décalées comme à la fig. 1. [0025] Similarly, the ends connecting said ferrules 11, 11 ́, 12, 12 ́ of the first and second spiral springs 13, 13 ́, 14, 14 ́ may be plumb with one another as in fig. 2 or not, that is to say offset as in FIG. 1.
[0026] 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, les couples de matériaux possibles ne sauraient se limiter aux exemples présentés. Ainsi, d’autres matériaux peuvent être envisagés sans sortir du cadre de l’invention. [0026] Of course, the present invention is not limited to the example illustrated but is susceptible to various variations and modifications which will appear to those skilled in the art. In particular, the possible pairs of materials cannot be limited to the examples presented. Thus, other materials can be considered without departing from the scope of the invention.
[0027] A titre d’exemple, on peut notamment prévoir qu’au moins un des matériaux des ressorts-spiraux 13, 13 ́, 14, 14 ́ est paramagnétique afin de limiter la sensibilité du résonateur 1 aux champs magnétiques comme du silicium ou un alliage à base de niobium et de zirconium. By way of example, one can in particular provide that at least one of the materials of the spiral springs 13, 13 ́, 14, 14 ́ is paramagnetic in order to limit the sensitivity of the resonator 1 to magnetic fields such as silicon or an alloy based on niobium and zirconium.
[0028] On peut également citer de manière non exhaustive des matériaux comme des composés comportant un métalloïde comme du dioxyde de germanium, comportant un verre céramique comme du zerodur et/ou comportant un métal ou un alliage métallique comme de l’acier, un composé de fer et de manganèse, un composé de manganèse et de nickel, ou un composé de manganèse et de cuivre. Bien entendu, au moins un spiral peut également être formé à partir de deux matériaux distincts, c’est-à-dire au moins un des spiraux ou les deux peuvent être composites. One can also quote in a non-exhaustive way materials such as compounds comprising a metalloid such as germanium dioxide, comprising a ceramic glass such as zerodur and / or comprising a metal or a metal alloy such as steel, a compound of iron and manganese, a compound of manganese and nickel, or a compound of manganese and copper. Of course, at least one balance spring can also be formed from two separate materials, i.e. at least one or both of the balance springs can be composite.
[0029] Dans l’exemple illustré à la fig. 1, un plateau 8 muni d’une cheville 9 et destiné à coopérer avec un dispositif d’échappement est également monté sur l’axe 5. Bien entendu, les variantes prévues aux fig. 1 et 2 du document EP 2 322 996, qui est incorporé par référence à la présente demande, peuvent également être mises en œuvre. [0029] In the example illustrated in FIG. 1, a plate 8 provided with a pin 9 and intended to cooperate with an escapement device is also mounted on the axis 5. Of course, the variants provided for in FIGS. 1 and 2 of EP 2 322 996, which is incorporated by reference into the present application, can also be implemented.
[0030] Ainsi, il peut être prévu de ne pas utiliser de plateau et que la cheville soit directement solidaire du balancier comme illustré à la fig. 2du document EP 2 322 996 ou même qu’elle soit monobloc avec le balancier, il est également envisageable que la virole et/ou la cheville soient venues de forme avec un des ressorts-spiraux comme illustré à la fig. 2ou à la fig. 1du document EP 2 322 996. [0030] Thus, it can be provided not to use a plate and that the pin is directly secured to the balance as shown in FIG. 2 of document EP 2 322 996 or even that it is in one piece with the balance, it is also conceivable that the ferrule and / or the ankle have formed with one of the spiral springs as illustrated in FIG. 2 or in fig. 1 of EP 2 322 996.
Claims (15)
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| EP3534222A1 (en) * | 2018-03-01 | 2019-09-04 | Rolex Sa | Method for producing a thermally compensated oscillator |
-
2011
- 2011-06-16 CH CH01018/11A patent/CH705127B1/en unknown
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| CN110221531A (en) * | 2018-03-01 | 2019-09-10 | 劳力士有限公司 | The method for manufacturing thermal compensation oscillator |
| JP2019194567A (en) * | 2018-03-01 | 2019-11-07 | ロレックス・ソシエテ・アノニムＲｏｌｅｘ Ｓａ | Thermal compensation vibrator manufacturing method |
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