CH714706B1

CH714706B1 - Angular return spring for thermo-compensated oscillator.

Info

Publication number: CH714706B1
Application number: CH00249/18A
Authority: CH
Inventors: Bucaille Jean-Luc; Kohler Frédéric; Hunziker Olivier
Original assignee: Csem Ct Suisse Delectronique Microtechnique Sa Rech Developpement
Priority date: 2018-03-01
Filing date: 2018-03-01
Publication date: 2022-02-28
Also published as: CH714706A2

Abstract

L'invention concerne un ressort de rappel angulaire (20) destiné à un assemblage avec un volant d'inertie pour former un oscillateur d'une pièce d'horlogerie, caractérisé en ce qu'il comprend un agencement d'au moins deux parties distinctes (21, 22), assemblées en série, dont les variations de raideur angulaire Ci en fonction de la température sont différentes, de manière apte à thermo-compenser ledit oscillateur d'une pièce d'horlogerie. L'invention concerne également un oscillateur et une pièce d'horlogerie comprenant un tel ressort, ainsi que son procédé de fabrication.The invention relates to an angular return spring (20) intended for assembly with an inertia flywheel to form an oscillator of a timepiece, characterized in that it comprises an arrangement of at least two distinct parts (21, 22), assembled in series, whose variations in angular stiffness Ci as a function of temperature are different, so as to thermally compensate for said oscillator of a timepiece. The invention also relates to an oscillator and a timepiece comprising such a spring, as well as its method of manufacture.

Description

[0001] L'invention concerne un ressort de rappel angulaire pour un oscillateur d'une pièce d'horlogerie, ainsi qu'un oscillateur, un mouvement de pièce d'horlogerie et une pièce d'horlogerie en tant que tels qui comprennent un tel ressort de rappel angulaire, notamment un ressort spiral. Enfin, elle concerne aussi un procédé de fabrication d'un tel ressort de rappel. The invention relates to an angular return spring for an oscillator of a timepiece, as well as an oscillator, a timepiece movement and a timepiece as such which comprise such angular return spring, in particular a spiral spring. Finally, it also relates to a method of manufacturing such a return spring.

[0002] La régulation des montres mécaniques repose sur au moins un oscillateur mécanique, qui comprend généralement un volant d'inertie, appelé balancier, et un ressort enroulé en forme de spirale, appelé ressort spiral ou plus simplement spiral. Le spiral peut être fixé par une extrémité sur l'axe du balancier et par l'autre extrémité sur une partie fixe de la pièce d'horlogerie, comme un pont, appelé coq, sur lequel pivote l'axe du balancier. Le ressort spiral équipant les mouvements de montres mécaniques de l'état de la technique se présente sous la forme d'une lame métallique élastique ou d'une lame en silicium préférentiellement de section rectangulaire, dont la majeure partie est enroulée sur elle-même en spirale d'Archimède. Le balancier-spiral oscille autour de sa position d'équilibre (ou point mort). Lorsque le balancier quitte cette position, il arme le spiral. Cela crée un couple de rappel qui agit sur le balancier pour tendre à le faire revenir vers sa position d'équilibre. Comme il a acquis une certaine vitesse, donc une énergie cinétique, le balancier dépasse son point mort jusqu'à ce qu'un couple contraire du spiral l'arrête et l'oblige à tourner dans l'autre sens. De cette manière, le spiral régule la période d'oscillation du balancier. [0002] The regulation of mechanical watches is based on at least one mechanical oscillator, which generally comprises an inertia flywheel, called a balance wheel, and a coiled spring in the form of a spiral, called a spiral spring or more simply spiral. The hairspring can be fixed by one end to the balance shaft and by the other end to a fixed part of the timepiece, such as a bridge, called balance cock, on which the balance shaft pivots. The spiral spring equipping the movements of mechanical watches of the state of the art comes in the form of an elastic metal blade or a silicon blade preferably of rectangular section, the major part of which is wound on itself in Archimedean spiral. The balance-spring oscillates around its equilibrium position (or dead point). When the balance wheel leaves this position, it winds the hairspring. This creates a return torque which acts on the balance to tend to bring it back to its equilibrium position. As it has acquired a certain speed, and therefore a kinetic energy, the balance wheel goes beyond its neutral point until a counter torque from the hairspring stops it and forces it to turn in the other direction. In this way, the hairspring regulates the period of oscillation of the balance wheel.

[0003] La précision d'une montre mécanique dépend de la régularité des oscillations de son oscillateur formé par le balancier et le spiral. Lorsque la température varie, la variation du module de Young E du spiral ainsi que les dilatations thermiques du spiral et du balancier modifient les propriétés de cet oscillateur, perturbant ainsi la précision de la montre. [0003] The precision of a mechanical watch depends on the regularity of the oscillations of its oscillator formed by the balance wheel and the hairspring. When the temperature varies, the variation of the Young's modulus E of the hairspring as well as the thermal expansions of the hairspring and the balance modify the properties of this oscillator, thus disturbing the precision of the watch.

[0004] Il existe des solutions de l'état de la technique qui essaient de réduire, voire de supprimer, les variations de fonctionnement d'un oscillateur avec la température. Une approche considère que la fréquence propre f d'un tel oscillateur dépend du rapport entre la constante du couple de rappel C, correspondant à la raideur angulaire du spiral, exercée par le spiral sur le balancier, et le moment d'inertie l, plus couramment appelé inertie l, de ce dernier, par la relation suivante : [0004] There are prior art solutions which attempt to reduce, or even eliminate, variations in the operation of an oscillator with temperature. One approach considers that the natural frequency f of such an oscillator depends on the ratio between the constant of the restoring torque C, corresponding to the angular stiffness of the hairspring, exerted by the hairspring on the balance wheel, and the moment of inertia l, plus commonly called inertia l, of the latter, by the following relation:

[0005] En dérivant l'équation précédente par rapport à la température, nous obtenons la variation thermique relative de la fréquence propre de l'oscillateur, qui s'exprime par : [0005] By deriving the previous equation with respect to the temperature, we obtain the relative thermal variation of the natural frequency of the oscillator, which is expressed by:

[0006] Où E est le module de Young du spiral de l'oscillateur, est le coefficient thermique de l'oscillateur, aussi dénommé simplement par l'acronyme CT, est le coefficient thermique du module de Young du spiral de l'oscillateur, aussi appelé par l'acronyme CTE, αset αbsont respectivement les coefficients de dilatation thermique du spiral et du balancier de l'oscillateur. Where E is the Young's modulus of the balance spring of the oscillator, is the thermal coefficient of the oscillator, also simply referred to by the acronym CT, is the thermal coefficient of the Young's modulus of the balance spring of the oscillator, also called by the acronym CTE, α and α b are respectively the coefficients of thermal expansion of the balance spring and of the balance of the oscillator.

[0007] Différentes solutions de l'état de la technique cherchent à annuler la valeur du coefficient thermique CT de l'oscillateur en choisissant un CTE du spiral adapté à cet effet, pour thermo-compenser l'oscillateur. [0007] Various prior art solutions seek to cancel out the value of the thermal coefficient CT of the oscillator by choosing a CTE of the hairspring suitable for this purpose, to thermo-compensate the oscillator.

[0008] Ainsi, des solutions de l'état de la technique reposent sur l'utilisation de plusieurs matériaux aux propriétés différentes répartis dans un même spiral de sorte à obtenir un oscillateur thermo-compensé de l'oscillateur comprenant ce spiral. [0008] Thus, prior art solutions are based on the use of several materials with different properties distributed in the same hairspring so as to obtain a thermo-compensated oscillator of the oscillator comprising this hairspring.

[0009] A titre d'exemple, le document EP1422436 décrit une solution reposant sur un spiral en silicium comprenant une couche d'oxyde. Cette solution nécessite une couche d'oxyde d'épaisseur importante. Sa fabrication nécessite de traiter le spiral durant un temps important à très haute température, ce qui représente un inconvénient. De manière générale, les spiraux thermo-compensés existants sont complexes à fabriquer. [0009] By way of example, document EP1422436 describes a solution based on a silicon hairspring comprising an oxide layer. This solution requires a thick layer of oxide. Its manufacture requires the hairspring to be treated for a long time at very high temperature, which represents a drawback. In general, existing thermo-compensated hairsprings are complex to manufacture.

[0010] Le but de l'invention est de fournir une autre solution de ressort de rappel pour pièce d'horlogerie qui permet la thermo-compensation d'un oscillateur de manière simple et fiable. The object of the invention is to provide another return spring solution for a timepiece which allows thermo-compensation of an oscillator in a simple and reliable manner.

[0011] A cet effet, l'invention repose sur un ressort de rappel angulaire destiné à un assemblage avec un volant d'inertie pour former un oscillateur d'une pièce d'horlogerie, caractérisé en ce qu'il comprend un agencement d'au moins deux parties distinctes, assemblées en série, dont les variations de raideur angulaire en fonction de la température sont différentes, de sorte que ledit oscillateur d'une pièce d'horlogerie puisse être thermo-compensé. [0011] To this end, the invention is based on an angular return spring intended for assembly with a flywheel to form an oscillator of a timepiece, characterized in that it comprises an arrangement of at least two separate parts, assembled in series, whose angular stiffness variations as a function of temperature are different, so that said oscillator of a timepiece can be thermo-compensated.

[0012] L'invention est plus précisément définie par les revendications. The invention is more precisely defined by the claims.

[0013] Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faits à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : La figure 1 représente schématiquement un ressort de rappel angulaire sous forme d'un agencement en parallèle de deux spiraux pour constituer un oscillateur d'une pièce d'horlogerie selon un premier mode de réalisation de l'invention. La figure 2 représente schématiquement un ressort de rappel angulaire sous forme d'un agencement en série de deux parties de spiral pour constituer un oscillateur d'une pièce d'horlogerie selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. La figure 3 représente schématiquement un ressort de rappel angulaire sous forme d'une variante d'un agencement en parallèle de deux spiraux pour constituer un oscillateur d'une pièce d'horlogerie selon le premier mode de réalisation de l'invention.These objects, characteristics and advantages of the present invention will be set out in detail in the following description of particular embodiments made on a non-limiting basis in relation to the attached figures, among which: FIG. 1 schematically represents a return spring angular in the form of a parallel arrangement of two hairsprings to form an oscillator of a timepiece according to a first embodiment of the invention. FIG. 2 schematically represents an angular return spring in the form of a series arrangement of two hairspring parts to form an oscillator of a timepiece according to a second embodiment of the invention. FIG. 3 schematically represents an angular return spring in the form of a variant of a parallel arrangement of two hairsprings to constitute an oscillator of a timepiece according to the first embodiment of the invention.

[0014] L'objectif de l'invention est de proposer un oscillateur thermo-compensé. Pour cela, il est recherché une solution approchant au maximum une valeur du coefficient thermique (CT) nulle pour l'oscillateur, dont les oscillations deviennent ainsi indépendantes ou quasi-indépendantes de la température. The object of the invention is to provide a thermo-compensated oscillator. For this, a solution is sought which approaches a value of the thermal coefficient (CT) as close as possible to zero for the oscillator, the oscillations of which thus become independent or quasi-independent of the temperature.

[0015] Le mode de réalisation de l'invention repose sur une construction d'un ressort de rappel angulaire particulier, obtenu par un agencement d'au moins deux parties distinctes, choisies pour former un ressort de rappel angulaire qui peut être couplé avec un volant d'inertie prédéfini pour obtenir un oscillateur thermo-compensé. The embodiment of the invention is based on a construction of a particular angular return spring, obtained by an arrangement of at least two distinct parts, chosen to form an angular return spring which can be coupled with a predefined flywheel to obtain a thermo-compensated oscillator.

[0016] L'invention va être illustrée plus en détail avec deux modes de réalisation dans lesquels un oscillateur pour pièce d'horlogerie se présente sous la forme d'un ensemble balancier-spiral. Chaque ressort de rappel angulaire de l'oscillateur comprend un agencement de deux parties distinctes en série, pouvant optionnellement comprendre de plus au moins deux parties distinctes en parallèle. Dans ces réalisations, chaque partie distincte forme un spiral ou une portion de spiral, comprenant une ou plusieurs spires ou portions de spire. On définit par spire une portion du spiral s'étendant selon un arc angulaire de l'ordre de 360°, et par portion de spire une portion s'étendant selon un arc angulaire inférieur à 360°. De plus, chaque spiral, spire ou portion de spire de ces modes de réalisation de l'invention se présente sous la forme d'une lame élastique préférentiellement de section rectangulaire, enroulée sur elle-même en spirale d'Archimède. Nous dénommerons e l'épaisseur et h la hauteur de cette section rectangulaire. De plus, nous dénommerons L la longueur curviligne d'un spiral, spire ou portion de spire. Cette longueur curviligne est définie comme l'écart entre deux 2 abcisses curvilignes, sur la fibre neutre de la spire. Enfin, nous appellerons l l'inertie du balancier, égale au produit de sa masse m par le carré du rayon de giration du balancier r. The invention will be illustrated in more detail with two embodiments in which an oscillator for a timepiece is in the form of a balance-spring assembly. Each angular return spring of the oscillator comprises an arrangement of two separate parts in series, which may optionally further comprise at least two separate parts in parallel. In these embodiments, each separate part forms a hairspring or a portion of a hairspring, comprising one or more turns or portions of a turn. A turn is defined as a portion of the hairspring extending along an angular arc of the order of 360°, and by turn portion a portion extending along an angular arc of less than 360°. In addition, each hairspring, turn or portion of a turn of these embodiments of the invention is in the form of an elastic strip, preferably of rectangular section, wound on itself in an Archimedean spiral. We will name e the thickness and h the height of this rectangular section. Moreover, we will call L the curvilinear length of a hairspring, turn or portion of a turn. This curvilinear length is defined as the difference between two 2 curvilinear abscissas, on the neutral fiber of the whorl. Finally, we will call l the inertia of the balance, equal to the product of its mass m by the square of the radius of gyration of the balance r.

[0017] Le premier mode de réalisation repose sur un ressort de rappel angulaire 10 d'un oscillateur, représenté par la figure 1, formé par l'agencement en parallèle d'au moins deux spiraux 11, 12, formant au moins deux parties distinctes dudit ressort de rappel. Nous entendons par l'expression „en parallèle“ un accrochage de chacun des au moins deux spiraux d'une part à l'arbre 5 de balancier, par exemple au moyen d'une ou de plusieurs viroles 6 reliées à leurs extrémités centrales, et d'autre part au pont de balancier, non représenté, par exemple au moyen d'un ou de deux pitons reliés à leurs extrémités périphériques 15, 16 respectives. Ce ressort de rappel angulaire agit sur un volant d'inertie ou balancier 1, relié à l'arbre 5 par des bras 2. L'ensemble forme un oscillateur mécanique. Dans cette réalisation représentée par la figure 1, les deux spiraux 11, 12 forment deux parties distinctes qui s'étendent globalement dans deux plans parallèles. Ces plans parallèles sont par ailleurs parallèles au plan du balancier 1 et perpendiculaires à l'arbre 5 de balancier. De plus, les deux spiraux 11, 12 sont parfaitement superposés. Leurs deux extrémités respectives sont superposées selon une direction parallèle à l'arbre 5 de balancier. En variante, ces extrémités pourraient être décalées. Selon une autre variante, les deux spiraux parallèles pourraient n'être que partiellement superposés. Ils peuvent comprendre chacun un nombre de spires égales ou différentes. Au moins un de ces deux spiraux en parallèle comprend de plus au moins deux parties, non représentées, assemblées en série. The first embodiment is based on an angular return spring 10 of an oscillator, shown in Figure 1, formed by the parallel arrangement of at least two hairsprings 11, 12, forming at least two distinct parts said return spring. We mean by the expression "in parallel" a hooking of each of the at least two hairsprings on the one hand to the shaft 5 of the balance, for example by means of one or more ferrules 6 connected at their central ends, and on the other hand to the balance bridge, not shown, for example by means of one or two studs connected at their respective peripheral ends 15, 16. This angular return spring acts on a flywheel or pendulum 1, connected to shaft 5 by arms 2. The assembly forms a mechanical oscillator. In this embodiment represented by FIG. 1, the two hairsprings 11, 12 form two distinct parts which extend globally in two parallel planes. These parallel planes are also parallel to the plane of the balance 1 and perpendicular to the shaft 5 of the balance. Moreover, the two hairsprings 11, 12 are perfectly superposed. Their two respective ends are superposed in a direction parallel to the shaft 5 of the balance. Alternatively, these ends could be offset. According to another variant, the two parallel hairsprings could only be partially superposed. They can each comprise a number of equal or different turns. At least one of these two hairsprings in parallel further comprises at least two parts, not shown, assembled in series.

[0018] La figure 3 illustre une variante de réalisation de ce premier mode de réalisation, dans laquelle les deux spiraux 11', 12' sont toujours agencés en parallèle, mais dans un même plan. Leurs deux extrémités centrales 13', 14' respectives sont fixées sur une même section de l'arbre 5' de balancier (dans un même plan perpendiculaire à l'arbre de balancier), en deux zones de liaison diamétralement opposées. Les deux extrémités périphériques 15', 16' se trouvent de même diamétralement opposées relativement à l'arbre 5' de balancier. Les deux spiraux 11', 12' sont ainsi intégralement positionnés dans un même plan perpendiculaire à l'arbre 5 de balancier. Ils sont imbriqués l'un dans l'autre. Leurs spires sont angulairement décalées de 180 degrés. En variante, les points d'attaches à l'arbre 5' de balancier peuvent être décalés d'un autre angle que 180 et/ou les deux extrémités périphériques 15', 16' peuvent être positionnées respectivement avec un angle différent de 180°. Au moins un de ces deux spiraux en parallèle comprend de plus au moins deux parties, non représentées, assemblées en série. [0018] Figure 3 illustrates an alternative embodiment of this first embodiment, in which the two hairsprings 11', 12' are still arranged in parallel, but in the same plane. Their two respective central ends 13', 14' are fixed on the same section of the balance shaft 5' (in the same plane perpendicular to the balance shaft), in two diametrically opposite connection zones. The two peripheral ends 15', 16' are likewise diametrically opposite relative to the balance shaft 5'. The two hairsprings 11', 12' are thus entirely positioned in the same plane perpendicular to the shaft 5 of the balance. They are nested one inside the other. Their turns are angularly offset by 180 degrees. As a variant, the points of attachment to the balance shaft 5' can be offset by an angle other than 180° and/or the two peripheral ends 15', 16' can be positioned respectively with an angle different from 180°. At least one of these two hairsprings in parallel further comprises at least two parts, not shown, assembled in series.

[0019] Dans le cas de deux spiraux (ou spires ou portions de spire) agencés en parallèle, la contribution d'un spiral à la thermo-compensation est pondérée par sa contribution relative au couple de rappel, donc à la raideur angulaire. [0019] In the case of two balance springs (or turns or portions of turns) arranged in parallel, the contribution of a balance spring to the thermo-compensation is weighted by its relative contribution to the return torque, therefore to the angular stiffness.

[0020] Le couple de rappel du ressort de rappel angulaire est la somme des couples des deux spiraux. La fréquence propre f de l'oscillateur peut alors s'écrire par l'équation suivante : où l est l'inertie du balancier et Ci la raideur angulaire d'un spiral i. The return torque of the angular return spring is the sum of the torques of the two hairsprings. The natural frequency f of the oscillator can then be written by the following equation: where l is the inertia of the balance wheel and Ci the angular stiffness of a hairspring i.

[0021] L'inertie l du balancier et la raideur angulaire Ci du spiral i, qui est définie pour de la flexion pure, se calculent comme suit : où m est la masse du balancier, r le rayon de giration du balancier, Ei le module élastique du matériau du spiral i, ei l'épaisseur de la lame du spiral i, hi la hauteur de la lame du spiral i, et li la longueur curviligne du spiral i. [0021] The inertia l of the balance wheel and the angular stiffness Ci of the hairspring i, which is defined for pure bending, are calculated as follows: where m is the mass of the balance wheel, r the radius of gyration of the balance wheel, Ei the elastic modulus of the material of hairspring i, ei the thickness of the blade of hairspring i, hi the height of the blade of hairspring i, and li the curvilinear length of hairspring i.

[0022] En introduisant les termes l et Ci dépendants de la température et en dérivant l'équation (1) par rapport à la température, on obtient - après réarrangement - l'équation suivante : By introducing the terms l and Ci depending on the temperature and by deriving the equation (1) with respect to the temperature, we obtain - after rearrangement - the following equation:

[0023] En considérant des matériaux homogènes et isotropes, ou en utilisant pour chaque matériau un coefficient de dilatation apparent adapté, le coefficient de dilatation thermique des matériaux α =1/x*dx/dT est identique pour les directions x explicitées ci-dessus (r, l, e et h). D'autre part, en définissant le terme CTE comme étant le coefficient thermique du module élastique 1/E.dE/dT, l'équation précédente peut être simplifiée comme suit : où αs,iet αbalsont respectivement les coefficients de dilatation thermique du spiral i et du balancier de l'oscillateur. [0023] By considering homogeneous and isotropic materials, or by using for each material a suitable coefficient of apparent expansion, the thermal expansion coefficient of the materials α =1/x*dx/dT is identical for the directions x explained above (r, l, e and h). On the other hand, by defining the term CTE as being the thermal coefficient of the elastic modulus 1/E.dE/dT, the previous equation can be simplified as follows: where αs, i and αbal are respectively the coefficients of thermal expansion of the hairspring i and the oscillator balance wheel.

[0024] Dans le cas particulier du premier mode de réalisation comprenant deux spiraux (i=2), l'équation précédente devient : [0024] In the particular case of the first embodiment comprising two hairsprings (i=2), the previous equation becomes:

[0025] La dilatation thermique αbaldu balancier étant connue et fonction du matériau employé, les matériaux des deux spiraux sont choisis de sorte à annuler cette équation (2). The thermal expansion αbaldu balance being known and a function of the material used, the materials of the two hairsprings are chosen so as to cancel this equation (2).

[0026] En remarque, dans le cas d'un matériau anisotrope, par exemple le silicium, le coefficient thermique varie selon la direction cristalline de la sollicitation du matériau et varie donc sur la longueur du spiral (ou de la spire ou portion de spire). De même, dans le cas d'un matériau hétérogène, comme le silicium oxydé, le coefficient thermique varie à l'intérieur de la section de la lame. Un CTE équivalent ou apparent, connu de l'homme du métier, peut être ainsi considéré pour un spiral, ou une spire ou une portion de spire, formé en un matériau anisotrope et/ou hétérogène. [0026] As a side note, in the case of an anisotropic material, for example silicon, the thermal coefficient varies according to the crystalline direction of the stress on the material and therefore varies over the length of the hairspring (or of the turn or portion of a turn ). Similarly, in the case of a heterogeneous material, such as oxidized silicon, the thermal coefficient varies inside the section of the blade. An equivalent or apparent CTE, known to those skilled in the art, can thus be considered for a hairspring, or a turn or a portion of a turn, formed from an anisotropic and/or heterogeneous material.

[0027] Dans le cas d'un balancier en CuBe2, sachant que la dilatation thermique du CuBe2 est positive (+17 [ppm/°C]), il faut choisir les matériaux des deux spiraux de manière à ce qu'au moins un des deux termes CTE+3αssoit positif pour annuler l'équation, notamment qu'au moins un des deux termes CTE+3αssoit supérieur à au moins deux fois αbalpour annuler l'équation. Il suffira ensuite d'ajuster les dimensions des deux spiraux, en particulier leur raideur angulaire, pour obtenir le résultat escompté, à savoir une thermo-compensation de l'oscillateur. [0027] In the case of a CuBe2 balance wheel, knowing that the thermal expansion of CuBe2 is positive (+17 [ppm/°C]), the materials of the two hairsprings must be chosen so that at least one of the two terms CTE+3αs is positive to cancel the equation, in particular that at least one of the two terms CTE+3αs is greater than at least twice αbal to cancel the equation. It will then suffice to adjust the dimensions of the two hairsprings, in particular their angular stiffness, to obtain the expected result, namely thermo-compensation of the oscillator.

[0028] A titre d'exemple, pour un oscillateur à 4Hz, nous prenons d'abord un balancier en CuBe2 d'une inertie de 14 mg·cm<2>. Ensuite, nous considérons un premier spiral en silicium monocristallin, découpé dans un plan {100}, de propriétés et dimensions suivantes : Emoyen=148 MPa, α=2.6 ppm/°C, CTE= -64.3 ppm/°C, hauteur de 150 microns, longueur active de 150 mm. Nous considérons de plus un deuxième spiral agencé en parallèle, en SiO2amorphe, et de propriétés et dimensions suivantes : E=72.4 MPa, α=0.382 ppm/°C, CTE=210 ppm/°C, et de même hauteur et de même longueur active que le premier spiral. La fréquence de 4Hz est obtenue en choisissant C1+C2=8.84·10-7 N·m et la thermocompensation est alors assurée par le choix des épaisseurs de lame à 36.20 microns pour le silicium du premier spiral et à 36.73 microns pour l'oxyde de silicium du deuxième spiral. By way of example, for a 4Hz oscillator, we first take a CuBe2 balance wheel with an inertia of 14 mg·cm<2>. Next, we consider a first monocrystalline silicon hairspring, cut in a {100} plane, with the following properties and dimensions: Eaverage=148 MPa, α=2.6 ppm/°C, CTE= -64.3 ppm/°C, height of 150 microns, 150mm active length. We also consider a second hairspring arranged in parallel, in amorphous SiO2, with the following properties and dimensions: E=72.4 MPa, α=0.382 ppm/°C, CTE=210 ppm/°C, and of the same height and the same length activates only the first hairspring. The 4Hz frequency is obtained by choosing C1+C2=8.84 10-7 N m and thermocompensation is then ensured by the choice of blade thicknesses at 36.20 microns for the silicon of the first hairspring and at 36.73 microns for the oxide silicon of the second hairspring.

[0029] A titre de deuxième exemple, toujours pour un oscillateur à 4Hz, si nous prenons un balancier en CuBe2 d'inertie 4.7 mg.cm2 et une hauteur de 120 microns et une longueur de 110 mm pour chacun des deux spiraux, dans les mêmes matériaux que ci-dessus, l'équation (2) donne des épaisseurs de 24.44 microns pour le premier spiral en silicium et de 24.80 microns pour le deuxième spiral en SiO2amorphe. As a second example, still for a 4Hz oscillator, if we take a CuBe2 balance wheel with an inertia of 4.7 mg.cm2 and a height of 120 microns and a length of 110 mm for each of the two hairsprings, in the same materials as above, equation (2) gives thicknesses of 24.44 microns for the first silicon hairspring and 24.80 microns for the second amorphous SiO2 hairspring.

[0030] Il existe naturellement une multitude de possibilités d'agencement en parallèle de deux spiraux, dont les dimensions sont différentes, de sorte à annuler l'équation (2) ci-dessus et à obtenir un oscillateur thermo-compensé. [0030] There are naturally a multitude of possibilities for arranging two hairsprings in parallel, the dimensions of which are different, so as to cancel equation (2) above and to obtain a thermo-compensated oscillator.

[0031] Le deuxième mode de réalisation repose sur un ressort de rappel angulaire 20 d'un oscillateur, représenté par la figure 2, formé par l'agencement en série d'au moins deux spires ou ensemble de spires ou portions de spires, que nous appellerons simplement au moins deux parties distinctes 21, 22. Par „en série“, nous entendons que les au moins deux parties distinctes sont assemblées l'une à l'autre par une de leurs extrémités. Une première partie 21 peut être attachée à l'arbre 5 de balancier, par son extrémité centrale 23, au moyen d'une virole 6, et au moins une deuxième partie 22 peut être attachée au pont par son extrémité périphérique 26, au moyen d'un piton 27. Les deux parties distinctes 21, 22 sont fixées entre elles par leurs extrémités respectives périphérique 25 et centrale 24. Le ressort de rappel angulaire 20 obtenu prend ainsi la forme d'un seul spiral continu, s'étendant dans un plan perpendiculaire à l'arbre 5 de balancier. The second embodiment is based on an angular return spring 20 of an oscillator, shown in Figure 2, formed by the series arrangement of at least two turns or set of turns or portions of turns, that we will simply call at least two distinct parts 21, 22. By “in series”, we mean that the at least two distinct parts are joined together by one of their ends. A first part 21 can be attached to the balance shaft 5, by its central end 23, by means of a ferrule 6, and at least a second part 22 can be attached to the bridge by its peripheral end 26, by means of a peak 27. The two separate parts 21, 22 are fixed together by their respective peripheral 25 and central 24 ends. The angular return spring 20 thus obtained takes the form of a single continuous spiral, extending in a plane perpendicular to the balance shaft 5.

[0032] La raideur angulaire en flexion pure d'une lame de rigidité non uniforme sur sa longueur L est décrite par l'équation suivante : [0032] The angular stiffness in pure bending of a blade of non-uniform stiffness over its length L is described by the following equation:

[0033] Pour plusieurs parties distinctes i agencées en série, cette équation devient : For several distinct parts i arranged in series, this equation becomes:

[0034] La fréquence f de l'oscillateur répond à l'équation : The frequency f of the oscillator responds to the equation:

[0035] Finalement, la dérivée de cette équation par rapport à la température aboutit à : Finally, the derivative of this equation with respect to the temperature results in:

[0036] Comme le mode de réalisation comprend deux parties distinctes, cette équation peut s'écrire : As the embodiment comprises two distinct parts, this equation can be written:

[0037] Dans le cas particulier d'un spiral formé par l'agencement en série de deux spires ou ensemble de spires ou portions de spires, la contribution de chaque partie à la thermo-compensation est pondérée par la raideur relative de l'autre partie. [0037] In the particular case of a hairspring formed by the series arrangement of two turns or a set of turns or portions of turns, the contribution of each part to the thermo-compensation is weighted by the relative stiffness of the other part.

[0038] La dilatation thermique αbaldu balancier étant connue pour un matériau donné, les matériaux des deux parties distinctes sont choisis de sorte à annuler cette équation (3), de manière similaire au premier mode de réalisation. The thermal expansion αbaldu balance being known for a given material, the materials of the two separate parts are chosen so as to cancel this equation (3), similarly to the first embodiment.

[0039] Par exemple, si le balancier est en CuBe2, sachant que la dilatation thermique du CuBe2 est positive (+17 [ppm/°C]), il faut choisir les matériaux des deux spiraux de manière à ce qu'au moins un des deux termes de forme CTE+3αs soit positif pour annuler l'équation (3), notamment qu'au moins un des deux termes CTE+3αssoit supérieur à au moins deux fois αbalpour annuler l'équation (3). Il suffira ensuite d'ajuster les dimensions des deux parties distinctes pour obtenir le résultat escompté, à savoir une thermo-compensation de l'oscillateur. [0039] For example, if the balance wheel is made of CuBe2, knowing that the thermal expansion of CuBe2 is positive (+17 [ppm/°C]), the materials of the two hairsprings must be chosen so that at least one of the two terms of form CTE+3αs is positive to cancel equation (3), in particular that at least one of the two terms CTE+3αs is greater than at least twice αbal to cancel equation (3). It will then suffice to adjust the dimensions of the two distinct parts to obtain the expected result, namely a thermo-compensation of the oscillator.

[0040] A titre d'exemple, nous reprenons ici un oscillateur à 4Hz doté d'un balancier en CuBe2 d'une inertie de 14 mg·cm2, tel que déjà décrit plus haut. Nous considérons de plus deux parties distinctes en série, comprenant une section identique de 150 microns de hauteur et de 40 microns d'épaisseur, l'une en silicium monocristallin découpé dans un plan {100}, de propriétés Emoyen=148 MPa, α=2.6 ppm/°C et CTE= -64.3 ppm/°C, et l'autre en SiO2amorphe, de propriétés E=72.4 MPa, α=0.382 ppm/°C et CTE=210 ppm/°C. L'équation (3) donne des longueurs curvilignes de portions de spires de 88.62 mm et 22.15 mm respectivement pour chacune des deux parties distinctes du ressort de rappel angulaire en série. By way of example, we take here a 4Hz oscillator equipped with a CuBe2 balance wheel with an inertia of 14 mg·cm2, as already described above. We also consider two separate parts in series, comprising an identical section 150 microns high and 40 microns thick, one in monocrystalline silicon cut in a {100} plane, with properties Emoyen=148 MPa, α= 2.6 ppm/°C and CTE= -64.3 ppm/°C, and the other in amorphous SiO2, with properties E=72.4 MPa, α=0.382 ppm/°C and CTE=210 ppm/°C. Equation (3) gives curvilinear lengths of portions of turns of 88.62 mm and 22.15 mm respectively for each of the two distinct parts of the angular return spring in series.

[0041] Nous considérons un deuxième exemple toujours à une fréquence de 4Hz avec un balancier en CuBe2, dont l'inertie est de 4.7 mg·cm2 et par conséquent une raideur angulaire du spiral de 2.9688·10-7 N·m. Nous imposons comme contrainte que la section (épaisseur et hauteur) des deux spires ou portions de spire soit constante et que la longueur active totale soit de 110 mm. La hauteur des deux portions de spire est de 120 microns. Dans ce cas, afin d'obtenir une thermo-compensation parfaite selon l'équation (3), l'épaisseur doit être de 29.88 microns pour chacune des portions de spire et les longueurs sont de 88.01 mm pour la première portion de spire en silicium et de 21.99 mm pour la deuxième portion de spire en oxyde de silicium. We consider a second example, still at a frequency of 4Hz, with a CuBe2 balance wheel, the inertia of which is 4.7 mg·cm2 and consequently an angular stiffness of the hairspring of 2.9688·10-7 N·m. We impose as a constraint that the section (thickness and height) of the two turns or portions of turns is constant and that the total active length is 110 mm. The height of the two turn portions is 120 microns. In this case, in order to obtain perfect thermo-compensation according to equation (3), the thickness must be 29.88 microns for each of the turn portions and the lengths are 88.01 mm for the first silicon turn portion. and 21.99 mm for the second portion of the spiral in silicon oxide.

[0042] Dans un troisième exemple, nous considérons un même balancier mais en imposant une rigidité en flexion constante le long du spiral, ainsi qu'une hauteur également uniforme de 120 microns sur toute la longueur du spiral. La longueur totale du spiral est également définie à 110mm. Pour obtenir la thermocompensation de l'oscillateur 4Hz, la partie en silicium doit avoir une épaisseur de 28.05 microns et une longueur de 72.81 mm, alors que la partie en oxyde amorphe doit avoir une épaisseur de 35.60 microns et une longueur de 37.19 mm. In a third example, we consider the same balance wheel but imposing a constant bending rigidity along the hairspring, as well as an equally uniform height of 120 microns over the entire length of the hairspring. The total length of the hairspring is also set at 110mm. To obtain the thermocompensation of the 4Hz oscillator, the silicon part must have a thickness of 28.05 microns and a length of 72.81 mm, while the amorphous oxide part must have a thickness of 35.60 microns and a length of 37.19 mm.

[0043] Cette variante de dimensionnement présente l'avantage de conférer au spiral un développement au cours de l'oscillation équivalent à celui d'un spiral plat de section constante et composé d'un seul matériau, qui est bien connu. Naturellement, l'invention ne se limite pas aux deux modes de réalisation décrits ci-dessus, ni aux exemples détaillés, ni même aux équations simples mentionnées en amont. Chaque terme de ces équations, notamment le CTE, peut être remplacé par son équivalent prenant en compte des variations spatiales ou structurelles (matériau hétérogène, anisotrope, section non rectangulaire, section non régulière sur la longueur, hauteur de la lame) Il apparaît qu'il existe une multitude de possibilités pour dimensionner un ressort de rappel pour pièce d'horlogerie selon l'invention, permettant de thermo-compenser un oscillateur. This sizing variant has the advantage of giving the hairspring a development during the oscillation equivalent to that of a flat hairspring of constant section and composed of a single material, which is well known. Naturally, the invention is not limited to the two embodiments described above, nor to the detailed examples, nor even to the simple equations mentioned upstream. Each term of these equations, in particular the CTE, can be replaced by its equivalent taking into account spatial or structural variations (heterogeneous material, anisotropic, non-rectangular section, non-regular section along the length, height of the blade) It appears that there are a multitude of possibilities for sizing a return spring for a timepiece according to the invention, making it possible to thermo-compensate an oscillator.

[0044] Notamment, il est bien entendu possible, en variantes de réalisation, de réaliser un oscillateur comportant plus de deux parties distinctes, notamment trois ou quatre parties distinctes, dont au moins deux parties distinctes sont assemblées en série. De plus, ces parties distinctes peuvent être agencées en parallèle et/ou en série, afin de paramétrer au mieux le comportement thermique du ressort de rappel et de l'oscillateur. D'autre part, chaque partie distincte peut prendre différentes formes : un spiral, une ou plusieurs spires ou portions de spire, ces parties pouvant inclure des portions rectilignes. Dans le cas où chaque partie distincte est formée d'une ou plusieurs spires ou portions de spire, le ressort de rappel peut être qualifié de multi-spires. In particular, it is of course possible, in alternative embodiments, to produce an oscillator comprising more than two distinct parts, in particular three or four distinct parts, of which at least two distinct parts are assembled in series. Moreover, these distinct parts can be arranged in parallel and/or in series, in order to best parameterize the thermal behavior of the return spring and of the oscillator. On the other hand, each separate part can take different forms: a hairspring, one or more turns or portions of a turn, these parts possibly including rectilinear portions. In the case where each separate part is formed of one or more turns or portions of turns, the return spring can be described as multi-turn.

[0045] D'autre part, les parties distinctes du ressort de rappel peuvent se trouver ou non dans un même plan. Une lame d'au moins une partie distincte du ressort de rappel, par exemple se présentant en forme de spires ou de portions de spire, peut présenter une section de toute forme, non nécessairement rectangulaire comme dans les modes de réalisation précédents. De plus, cette section peut rester constante sur toute sa longueur, ou au contraire varier. Enfin, le ressort de rappel peut se présenter sous la forme d'un spiral, comme envisagé dans les exemples précédents, ou en variante sous toute autre forme. On the other hand, the separate parts of the return spring may or may not be in the same plane. A strip of at least one separate part of the return spring, for example in the form of turns or portions of a turn, can have a section of any shape, not necessarily rectangular as in the previous embodiments. In addition, this section can remain constant over its entire length, or on the contrary vary. Finally, the return spring can be in the form of a spiral, as envisaged in the previous examples, or alternatively in any other form.

[0046] Nous entendons finalement par parties distinctes du ressort de rappel deux éléments distincts, qui sont positionnés dans un même agencement pour former ensemble le ressort de rappel. Dans cet agencement, ces parties distinctes participent ainsi de manière complémentaire à la même fonction de ressort de rappel, tout en apportant un effet de thermo-compensation de l'oscillateur. Ces parties distinctes peuvent être assemblées l'une à l'autre par tout moyen de fixation, ou simplement positionnées à proximité. Dans tous les cas, ces parties distinctes sont agencées de sorte à pouvoir coopérer avec un même volant d'inertie, et former un seul oscillateur de pièce d'horlogerie. Ces parties distinctes ne sont donc pas simplement deux zones d'un même ressort qui serait monobloc, indissociable, et/ou monolithique, même si ces deux zones peuvent présenter des matériaux différents. We finally mean by separate parts of the return spring two separate elements, which are positioned in the same arrangement to together form the return spring. In this arrangement, these separate parts thus participate in a complementary manner in the same return spring function, while providing a thermo-compensation effect of the oscillator. These separate parts can be assembled to one another by any fastening means, or simply positioned close to each other. In all cases, these distinct parts are arranged so as to be able to cooperate with the same flywheel, and form a single timepiece oscillator. These distinct parts are therefore not simply two zones of the same spring which would be one-piece, inseparable, and/or monolithic, even if these two zones may have different materials.

[0047] Par définition de ces parties distinctes, l'invention permet donc la mise en oeuvre d'un procédé de fabrication d'un ressort de rappel qui peut comprendre une étape de fabrication séparée, indépendante, d'au moins deux parties distinctes, puis une étape d'assemblage de ces au moins deux parties distinctes, éventuellement par une liaison ou fixation entre elles, dans un même agencement, pour former un ressort de rappel, plus particulièrement un ressort de rappel angulaire, destiné à coopérer avec un même volant d'inertie. En alternative, l'invention permet la mise en oeuvre d'un procédé de fabrication d'un ressort de rappel d'un seul tenant résultant, par exemple, du gravage de deux wafers de deux matériaux distincts préalablement solidarisés. By definition of these separate parts, the invention therefore allows the implementation of a method for manufacturing a return spring which may comprise a separate, independent manufacturing step, of at least two separate parts, then a step of assembling these at least two separate parts, optionally by a connection or fixing between them, in the same arrangement, to form a return spring, more particularly an angular return spring, intended to cooperate with the same steering wheel of inertia. Alternatively, the invention allows the implementation of a process for manufacturing a return spring in one piece resulting, for example, from the etching of two wafers of two distinct materials joined together beforehand.

[0048] Avantageusement, au moins deux parties distinctes du ressort de rappel angulaire se présentent en deux matériaux différents. Une partie distincte peut être monobloc. Elle peut être en un seul matériau, ou comprendre plusieurs matériaux différents, par exemple comprendre des zones en matériaux différents. [0048] Advantageously, at least two separate parts of the angular return spring are made of two different materials. A separate part can be one-piece. It can be made of a single material, or comprise several different materials, for example comprise zones made of different materials.

[0049] Dans tous les cas, le ressort de rappel de l'invention comprend au moins deux parties distinctes dont les variations de raideur angulaire Ci en fonction de la température, CTE+3αs, sont différentes, de sorte que ledit oscillateur comprenant ce ressort de rappel d'une pièce d'horlogerie est thermo-compensé. In all cases, the return spring of the invention comprises at least two separate parts whose variations in angular stiffness Ci as a function of temperature, CTE+3αs, are different, so that said oscillator comprising this spring recall of a timepiece is thermo-compensated.

[0050] Naturellement, une partie distincte du ressort de rappel peut se trouver dans tout autre matériau. De préférence, un matériau insensible aux champs magnétiques est privilégié, pour éviter des perturbations de la marche liées à l'aimantation résiduelle des composants soumis à un champ magnétique. [0050] Naturally, a separate part of the return spring can be in any other material. Preferably, a material that is insensitive to magnetic fields is preferred, to avoid disturbances in the operation linked to the residual magnetization of the components subjected to a magnetic field.

[0051] Au moins une partie distincte du ressort de rappel peut comprendre tout ou partie du silicium monocristallin, du silicium polycristallin, du silicium amorphe, du quartz, de l'oxyde de silicium amorphe, du silicium dopé, du silicium poreux, un alliage à base de Fe-Ni possédant un coefficient thermique du module de Young (ci-après CTE) positif, et/ou un alliage Nb-Zr-O. [0051] At least a separate part of the return spring may comprise all or part of monocrystalline silicon, polycrystalline silicon, amorphous silicon, quartz, amorphous silicon oxide, doped silicon, porous silicon, an alloy based on Fe-Ni having a positive Young's modulus thermal coefficient (hereinafter CTE), and/or an Nb-Zr-O alloy.

[0052] Au moins une partie distincte du ressort de rappel peut comprendre un ou des matériaux isotropes. En variante, elle peut comprendre un matériau anisotrope, par exemple le silicium, dont le coefficient thermique varie selon la direction cristalline de la sollicitation du matériau et varie donc sur la longueur du spiral. Le silicium peut, par exemple, être revêtu d'une couche d'oxyde de silicium. Dans le cas d'un matériau hétérogène comme le silicium oxydé, le coefficient thermique varie à l'intérieur de la section de la lame du ressort de rappel. Un CTE équivalent ou apparent, connu de l'homme du métier, est ainsi considéré pour une partie distincte du ressort de rappel formée en un matériau anisotrope et/ou hétérogène, et les calculs précédents restent applicables sur cette base. [0052] At least a separate part of the return spring may comprise one or more isotropic materials. As a variant, it can comprise an anisotropic material, for example silicon, the thermal coefficient of which varies according to the crystalline direction of the stress on the material and therefore varies over the length of the hairspring. The silicon can, for example, be coated with a layer of silicon oxide. In the case of a heterogeneous material such as oxidized silicon, the thermal coefficient varies inside the section of the blade of the return spring. An equivalent or apparent CTE, known to those skilled in the art, is thus considered for a separate part of the return spring formed from an anisotropic and/or heterogeneous material, and the preceding calculations remain applicable on this basis.

[0053] L'invention porte aussi sur un oscillateur de pièce d'horlogerie, un mouvement de pièce d'horlogerie et une pièce d'horlogerie, comme une montre, par exemple une montre-bracelet, comprenant un ressort de rappel tel que décrit précédemment. The invention also relates to a timepiece oscillator, a timepiece movement and a timepiece, such as a watch, for example a wristwatch, comprising a return spring as described previously.

[0054] Le balancier est par exemple réalisé en un alliage cuivre-béryllium, de manière connue (aussi appelé simplement alliage CuBe2), comme cela a été illustré dans les modes de réalisation précédents. En variante, d'autres matériaux peuvent être utilisés pour le balancier. The balance is for example made of a copper-beryllium alloy, in known manner (also simply called CuBe2 alloy), as has been illustrated in the previous embodiments. Alternatively, other materials can be used for the balance.

Claims

1. Angular return spring (10, 10'; 20) intended for assembly with an inertia flywheel (1) to form an oscillator of a timepiece, characterized in that it comprises an arrangement of at least two separate parts (11, 12; 11', 12'; 21, 22), assembled in series, whose variations in angular stiffness Ci as a function of temperature are different, so as to thermo-compensate said oscillator d a timepiece.

2. Angular return spring (10, 10'; 20) according to the preceding claim, characterized in that the at least two separate parts (11, 12; 11', 12'; 21, 22) are made of two different materials or different combinations of several materials.

3. Angular return spring (10, 10'; 20) according to one of the preceding claims, characterized in that at least two of the separate parts (11, 12; 11', 12'; 21, 22) have variations of the angular stiffness Ci as a function of the temperature of opposite signs.

4. angular return spring (10, 10'; 20) according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises at least two separate parts (11, 12; 11', 12'; 21, 22) in materials chosen from monocrystalline silicon, polycrystalline silicon, amorphous silicon, quartz, amorphous silicon oxide, doped silicon, porous silicon.

5. Angular return spring (10, 10') according to one of the preceding claims, characterized in that it further comprises at least two separate parts (11, 12; 11', 12') assembled in parallel,

6. Angular return spring (10 ') according to the preceding claim, characterized in that it comprises at least two separate parts (11', 12') arranged in parallel comprising blades located in the same plane.

7. angular return spring (10, 10'; 20) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least two separate parts (11, 12; 11', 12'; 21, 22) are the form of spiral springs, one or more coils, straight leaves, or a combination of spiral springs and straight leaves.

8. Angular return spring (10, 10'; 20) according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises at least one separate part which has a section varying along the length of said separate part.

9. Oscillator for a timepiece comprising an angular return spring (10, 10'; 20) according to one of claims 1 to 8 assembled with a flywheel (1).

10. Oscillator according to the preceding claim, characterized in that it comprises a rocker and an angular return spring (10, 10') comprising at least two distinct parts (11, 12; 11', 12') arranged in parallel and having angular stiffnesses Ci which substantially respect the following two equations:

or f is the natural frequency of the oscillator, l is the inertia of the pendulum, CTEi represents the thermal coefficient of the elastic modulus of the distinct part i, αs,i represents the coefficient of thermal expansion of the distinct part i, αbal represents the thermal expansion coefficient of the oscillator balance wheel, the materials and/or the dimensions of the distinct parts i of the angular return spring being chosen to cancel this second equation.

11. Oscillator according to claim 9 or 10, characterized in that it comprises a balance (1) and an angular return spring (10, 10'; 20) comprising at least two distinct parts arranged in series (21, 22) and having angular stiffnesses Ci which substantially respect the following two equations:

12. Oscillator according to one of claims 9 to 11, characterized in that it comprises an angular return spring (10, 10'; 20) comprising at least two distinct parts arranged (21, 22) in series and optionally at at least two distinct parts (11, 12; 11', 12') arranged in parallel, and in that the angular return spring comprises one or at least two attachments to the balance shaft and/or one or at least two attachments to the frame of the clock movement.

13. Timepiece, in particular a watch, characterized in that it comprises an angular return spring (10, 10'; 20) according to one of claims 1 to 8 or an oscillator according to one of claims 9 to 12.

14. Method of manufacturing an angular return spring (10, 10'; 20) according to one of claims 1 to 8 intended for assembly with a flywheel (1) to form a one-piece oscillator watchmaking, characterized in that it comprises an independent manufacturing step of at least two separate parts (21, 22), then a step of assembling these at least two separate parts in series, by a connection or fixing between them, in the same arrangement, to form an angular return spring intended to cooperate with a flywheel to form a thermo-compensated oscillator for a timepiece.