EP1562087B1 - Balancier pour mouvement d'horlogerie - Google Patents

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EP1562087B1
EP1562087B1 EP05000326A EP05000326A EP1562087B1 EP 1562087 B1 EP1562087 B1 EP 1562087B1 EP 05000326 A EP05000326 A EP 05000326A EP 05000326 A EP05000326 A EP 05000326A EP 1562087 B1 EP1562087 B1 EP 1562087B1
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balance
serge
titanium
arms
wheel
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Jean Remont
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Montres Breguet SA
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Montres Breguet SA
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04B—MECHANICALLY-DRIVEN CLOCKS OR WATCHES; MECHANICAL PARTS OF CLOCKS OR WATCHES IN GENERAL; TIME PIECES USING THE POSITION OF THE SUN, MOON OR STARS
    • G04B17/00—Mechanisms for stabilising frequency
    • G04B17/04—Oscillators acting by spring tension
    • G04B17/06—Oscillators with hairsprings, e.g. balance
    • G04B17/063—Balance construction

Definitions

  • the present invention relates to a pendulum for a watch movement, comprising an axis, a serge and arms connecting the serge to the axis, and intended to be associated with a spiral spring to form conventionally the mechanical oscillator which determines the basic frequency of the movement of a timepiece, in particular a watch.
  • a pendulum for a watch movement comprising an axis, a serge and arms connecting the serge to the axis, and intended to be associated with a spiral spring to form conventionally the mechanical oscillator which determines the basic frequency of the movement of a timepiece, in particular a watch.
  • a known construction of a balance of this kind is illustrated for example in the patent CH 494 992 or the patent CH 621 669 .
  • the wheel-shaped part comprising the serge (or rim) and the arms is made of a copper-based alloy, especially cupro-beryllium or nickel silver, or nickel.
  • a copper-based alloy especially cupro-beryllium or nickel silver, or nickel.
  • Such an alloy offers an advantageous combination of qualities which include, in particular, its non-magnetic nature, good chemical stability and sufficient mechanical characteristics.
  • the density of these alloys is greater than 8 kg / dm 3 .
  • Their coefficient of thermal expansion which is about 17 ⁇ 10 -6 / ° C for CuBe, about 15 ⁇ 10 -6 / ° C for nickel and about 21 ⁇ 10 -6 / ° C for the nickel silver is not particularly favorable.
  • the usual frequencies of the watch oscillators range from 2.5 Hz to 5 Hz, in steps of 0.5 Hz so that a duration of one second corresponds to an integer number of alternations of the oscillator. A movement is therefore designed for a given frequency and the sprung balance assembly must have this frequency.
  • the relevant parameter of the pendulum is the moment of inertia. As the arm of the pendulum is very small in the moment of inertia, it depends primarily on the dimensions (diameter and cross-section) and the density of the serge.
  • the designer of a watchmaking movement may wish to use a comparatively large diameter pendulum, for example for aesthetic reasons.
  • Increasing the diameter without changing the moment of inertia can be done either by reducing the section of the serge, or by using a lower density material.
  • the balance will have a smaller mass, which reduces the friction in the bearings, therefore the disturbances of the isochronism of the balance according to the positions (vertical and horizontal) of the movement.
  • a Reduced cross section becomes too weak, especially if it has to be fitted with adjusting screws. We can then consider the use of a lighter material.
  • the FR Patent 1,275,357 plans to make a lightened watch pendulum, by combining a serge made of a light metal such as aluminum with a wheel-shaped elastic support element, constituted by a circle and spokes, the circle having legs outside for its attachment to the serge. This allows the wheel to be made of a material with high mechanical properties, for example a spring steel.
  • a similar solution, but without brackets, is provided in the FR 1 301 938 .
  • the present invention aims at making it possible to produce a balance-spring oscillator having a larger diameter than usual for the same frequency, or having a higher frequency with the same dimensions as a usual oscillator, avoiding the aforementioned drawbacks.
  • the invention aims in particular to lighten the balance by maintaining a sufficient mechanical strength and good dimensional stability vis-à-vis temperature variations.
  • a rocker according to the invention is characterized in that the serge and the arms are made of titanium.
  • the serge and the arms are made in one piece, which is a great advantage over the two French patents mentioned above, but it is not excluded to manufacture these parts separately, then to assemble them by welding or a other way.
  • titanium for this particular application has a set of technical advantages that make it possible to achieve a balance wheel both lightweight and high quality: non-magnetic nature, low density, high mechanical strength, low coefficient of thermal expansion, resistance to corrosion.
  • titanium is almost two times lighter and expands thermally by half, while also offering good mechanical properties.
  • titanium is a little heavier, but has much better mechanical characteristics and thermal expansion three times less. The invention therefore makes it possible to produce a one-piece balance wheel whose serge is relatively light despite relatively large dimensions, while the arms are thin and elastic while being sufficiently strong.
  • a balance of the same diameter titanium may have a higher serge (in the direction parallel to the axis of rotation), which allows to spare in the serge of tapped holes for balancing screws in cases where this would not be possible in the serge made of conventional material.
  • the pendulum 1 represented in the Figures 1 and 2 comprises a conventional steel shaft 2 which supports a balance wheel comprising a serge 3 and for example three arms 4 made in one piece with the serge. This piece is made of titanium, for the reasons of lightness exposed above.
  • the arms 4 radiate from a pierced central portion 5 which is driven on a bearing 6 of the axis 2 abutting against a shoulder 7.
  • the shaft 2 supports in addition to a ferrule 8, intended for fixing a spiral not shown, and a double exhaust plate 9 for cooperating with an anchor.
  • Titanium grade 2 AFNOR T40 (Fe 0.25%, O 0.048%, C 0.06%, N 0.05%, H 0.013%, Ti for the rest)
  • Titanium grade 5 AFNOR TA6V6E2 (Al 5.5%, V 5.5%, Fe 0.6%, N 0.04%, Sn 2%, Cu 0.6%, Ti for the rest).
  • the serge 3 having in this case a trapezoidal cross section, is sufficiently high, thick and strong to include threaded holes for receiving adjustment screws if necessary.
  • balancing balancer is not achieved by means of adjusting screws, but by milling depressions 11 in the outer face of the serge.
  • the pendulum 1 is made of titanium (density 4.5 kg / dm 3 ) in order to have a larger diameter than a conventional cupro-beryllium balance (density 8.25 kg / dm 3 ) having the same moment of inertia, keeping in addition the same cross-section of the serge, it can be calculated that the average diameter of the serge of the titanium balance will be enlarged by 22%.
  • the effect obtained from the point of view of aesthetics is significant, without causing loss of mechanical characteristics of the serge.

Description

    Arrière-plan de l'invention
  • La présente invention concerne un balancier pour mouvement d'horlogerie, comportant un axe, une serge et des bras reliant la serge à l'axe, et destiné à être associé à un ressort spiral pour constituer de manière classique l'oscillateur mécanique qui détermine la fréquence de base du mouvement d'une pièce d'horlogerie, en particulier d'une montre. Une construction connue d'un balancier de ce genre est illustrée par exemple dans le brevet CH 494 992 ou le brevet CH 621 669 .
  • Actuellement, dans un balancier pour mouvement de montre, la pièce en forme de roue comprenant la serge (ou jante) et les bras est faite d'un alliage à base de cuivre, notamment en cupro-béryllium ou en maillechort, ou en nickel. Un tel alliage offre une combinaison avantageuse de qualités qui comprennent, en particulier, sa nature amagnétique, une bonne stabilité chimique et des caractéristiques mécaniques suffisantes. La densité de ces alliages est supérieure à 8 kg/dm3. Leur coefficient de dilatation thermique, qui est d'environ 17·10-6/°C pour le CuBe, d'environ 15·10-6/°C pour le nickel et d'environ 21·10-6/°C pour le maillechort, n'est pas particulièrement favorable.
  • La fréquence d'oscillation f d'un oscillateur à balancier-spiral est donnée par : 1 / f = 2 ⁢ π ⋅ I / M 0 , 5
    Figure imgb0001
     où I est le moment d'inertie du balancier autour de son axe de rotation et M est le couple élastique du spiral, exprimé en Nm/rad. Les fréquences usuelles des oscillateurs de montre s'échelonnent de 2,5 Hz à 5 Hz, par pas de 0,5 Hz afin qu'une durée d'une seconde corresponde à un nombre entier d'alternances de l'oscillateur. Un mouvement est donc conçu pour une fréquence donnée et l'ensemble balancier-spiral doit avoir cette fréquence-là. Dans la formule ci-dessus, on voit que le paramètre pertinent du balancier est le moment d'inertie. Comme la part des bras du balancier est très faible dans le moment d'inertie, celui-ci dépend avant tout des dimensions (diamètre et section transversale) et de la densité de la serge.
  • Dans certains cas, le concepteur d'un mouvement d'horlogerie peut souhaiter utiliser un balancier de relativement grand diamètre, par exemple pour des raisons d'esthétique. Augmenter le diamètre sans changer le moment d'inertie peut se faire soit en diminuant la section de la serge, soit en utilisant un matériau de moindre densité. Dans les deux cas, le balancier aura une moindre masse, ce qui réduit les frottements dans les paliers, donc les perturbations de l'isochronisme du balancier en fonction des positions (verticales et horizontales) du mouvement. Cependant, une serge de section réduite devient trop faible, surtout si elle doit porter des vis de réglage. On peut alors envisager l'utilisation d'un matériau plus léger.
  • Le brevet FR 1 275 357 prévoit de réaliser un balancier de montre allégé, par combinaison d'une serge faite d'un métal léger tel que l'aluminium avec un élément de support élastique en forme de roue, constitué par un cercle et des rayons, le cercle ayant des pattes extérieures pour sa fixation à la serge. Ceci permet de réaliser la roue en un matériau à propriétés mécaniques élevées, par exemple un acier à ressort. Une solution similaire, mais sans pattes de fixation, est prévue dans le brevet FR 1 301 938 .
  • Toutefois, une telle construction de balancier en deux pièces faites de matériaux différents n'offre pas les mêmes garanties de durabilité et de stabilité de forme qu'une construction en une seule pièce, notamment à cause des grandes différences de dilatation thermique entre l'acier, les alliages à base d'aluminium et les alliages à base de cuivre. Ces dilatations et les déformations qu'elles peuvent induire modifient notablement le moment d'inertie et donc la fréquence d'oscillation, surtout dans le cas d'une serge en aluminium. D'autre part, avec cette construction en deux pièces, il est difficile de bien centrer la serge par rapport à l'axe de rotation.
    • Résumé de l'invention
  • La présente invention vise à permettre de réaliser un oscillateur à balancier-spiral ayant un plus grand diamètre que d'habitude pour une même fréquence, ou ayant une fréquence plus élevée avec les mêmes dimensions qu'un oscillateur habituel, en évitant les inconvénients susmentionnés. L'invention vise notamment à alléger le balancier en lui conservant une résistance mécanique suffisante et une bonne stabilité dimensionnelle vis-à-vis des variations de température.
  • A cet effet, un balancier selon l'invention est caractérisé en ce que la serge et les bras sont en titane. De préférence, la serge et les bras sont faits d'une seule pièce, ce qui est un grand avantage par rapport aux deux brevets français précités, mais il n'est pas exclu de fabriquer ces pièces séparément, puis les assembler par soudage ou un autre moyen.
  • Si le choix du titane parmi d'autres métaux légers, pour réaliser une roue de balancier de montre, n'avait jamais été envisagé jusqu'ici alors que l'aluminium l'a été depuis des décennies, c'est probablement à cause des difficultés d'usinage attendues. Dans le modèle d'utilité DE 1 987 070 publié en 1968, il avait été mentionné la possibilité d'utiliser un métal léger tel que l'aluminium ou le titane au lieu du cupro-béryllium pour réaliser une roue d'échappement de montre, qui est une roue plate et tournant assez lentement. Toutefois, aucune utilisation industrielle du titane dans une roue de ce genre n'a été faite à notre connaissance. D'autre part, les propriétés physiques exigées des matériaux d'une roue de balancier sont bien différentes ou plus élevées que pour une autre roue d'un mouvement d'horlogerie. Il s'avère de manière surprenante que la sélection du titane pour cette application particulière présente un ensemble d'avantages techniques qui permettent de réaliser une roue de balancier à la fois légère et de haute qualité : nature amagnétique, faible densité, résistance mécanique élevée, faible coefficient de dilatation thermique, résistance à la corrosion. Par rapport au cupro-béryllium, le titane est presque deux fois plus léger et se dilate thermiquement deux fois moins, tout en offrant d'aussi bonnes caractéristiques mécaniques. Par rapport à l'aluminium, le titane est un peu plus lourd, mais présente de bien meilleures caractéristiques mécaniques et une dilatation thermique trois fois moindre. L'invention permet donc de réaliser une roue de balancier en une pièce dont la serge est relativement légère malgré des dimensions relativement grandes, tandis que les bras sont minces et élastiques tout en étant suffisamment solides.
  • D'autre part, en comparaison avec un balancier en matériau classique ayant une serge relativement mince, un balancier de même diamètre en titane peut avoir une serge plus haute (dans la direction parallèle à l'axe de rotation), ce qui permet de ménager dans la serge des trous taraudés pour des vis d'équilibrage dans des cas où ce ne serait pas possible dans la serge en matériau classique.
    • Description sommaire des dessins
  • D'autres particularités de l'invention apparaîtront dans la description suivante d'un mode de réalisation d'un balancier pour mouvement de montre ayant une roue de balancier en titane, présenté à titre d'exemple non limitatif de l'invention en référence aux dessins annexés, dans lesquels :
    • la figure 1 est une vue en perspective du balancier, et
    • la figure 2 est une vue en coupe suivant la ligne II-II de la figure 1.
    Description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention
  • Le balancier 1 représenté dans les figures 1 et 2 comporte un axe classique 2 en acier qui supporte une roue de balancier comprenant une serge 3 et par exemple trois bras 4 faits d'une seule pièce avec la serge. Cette pièce est en titane, pour les motifs de légèreté exposés plus haut. Les bras 4 rayonnent à partir d'une partie centrale percée 5 qui est chassée sur une portée 6 de l'axe 2 en butant contre un épaulement 7. De manière classique, l'axe 2 supporte en outre une virole 8, destinée à la fixation d'un spiral non représenté, et un double plateau d'échappement 9 destiné à coopérer avec une ancre.
  • Les alliages suivants, par exemple, peuvent être utilisés :
    Titane grade 2 : AFNOR T40 (Fe 0,25%, O 0,048%, C 0,06%, N 0,05%, H 0,013%, Ti pour le reste)
    Titane grade 5 : AFNOR TA6V6E2 (Al 5,5%, V 5,5%, Fe 0,6%, N 0,04%, Sn 2%, Cu 0,6%, Ti pour le reste).
  • Grâce à la faible densité du titane, la serge 3, ayant en l'occurrence une section transversale trapézoïdale, est suffisamment haute, épaisse et résistante pour comporter des trous taraudés destinés à recevoir des vis de réglage s'il le fallait. Dans le cas présent, l'équilibrage du balancier n'est pas réalisé au moyen de vis de réglage, mais par fraisage de creux 11 dans la face extérieure de la serge.
  • En partant de l'idée que le balancier 1 est réalisé en titane (densité 4,5 kg/dm3) afin d'avoir un plus grand diamètre qu'un balancier classique en cupro-béryllium (densité 8,25 kg/dm3) ayant le même moment d'inertie, en conservant en outre la même section transversale de la serge, on peut calculer que le diamètre moyen de la serge du balancier en titane sera agrandi de 22%. L'effet obtenu du point de vue de l'esthétique est donc significatif, sans entraîner de perte sur les caractéristiques mécaniques de la serge.

Claims (3)

  1. Balancier (1) pour mouvement d'horlogerie, comportant un axe (2), une serge (3) et des bras (4) reliant la serge à l'axe, caractérisé en ce que la serge et les bras sont en titane.
  2. Balancier selon la revendication 1, caractérisé en ce que la serge (3) et les bras (4) sont faits d'une seule pièce.
  3. Balancier selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'axe (3) est en acier.
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