EP1612627A1 - Spiral autocompensateur bi-matière - Google Patents

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EP1612627A1
EP1612627A1 EP04015580A EP04015580A EP1612627A1 EP 1612627 A1 EP1612627 A1 EP 1612627A1 EP 04015580 A EP04015580 A EP 04015580A EP 04015580 A EP04015580 A EP 04015580A EP 1612627 A1 EP1612627 A1 EP 1612627A1
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curve
hairspring
spiral
assembly
contour
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Thierry Conus
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Nivarox SA
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Nivarox Far SA
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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
    • G04B17/066—Manufacture of the spiral spring
    • 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
    • G04B17/20—Compensation of mechanisms for stabilising frequency

Definitions

  • the present invention relates to a hairspring, intended in particular to be integrated in the balance-sprung adjusting device of a timepiece, whose curve inside is modified to allow a concentric expansion of the turns and thus improve the isochronism of said timepiece.
  • the invention relates more particularly to both the conformation of the curve inside and the choice of materials to make the curve inside and all the turns.
  • point of attachment the so-called "point of attachment" rule to form the curve inside a spiral according to a particular contour, and in particular according to the Grossmann curve.
  • all turns have previously been formed by the known technique of strapping, it is necessary to use a highly skilled labor, so that this solution is reserved for high-precision timepieces, high-end and for limited series, but is in no case applicable to mass production.
  • the present invention therefore aims to provide a new solution by providing a hairspring that can be manufactured industrially while having the qualities of a Grossmann inner curve hairspring whose influence on a concentric expansion of the hairspring is greater than that resulting from the conformation of the curve on the outside.
  • the subject of the invention is a self-compensating hairspring for a balance-spring balance device, said hairspring being constituted by a first assembly, comprising the turns and the curve on the outside, made of a first material having a torque resilient little or not sensitive to variations in elongation, temperature and magnetic field, and by a second assembly integral with the first assembly, including in particular the curve inside, made of a second material chosen mainly for its mechanical properties facilitating the conformation of said curve inside according to the contour most favorable to a concentric expansion of the spiral.
  • This contour may for example be a Grossmann curve.
  • the known methods can be used, but the LIGA method of photolithography and galvanic growth is preferably used.
  • the accuracy of the conformation of the curve inside is thus reported in relation to the production of the irradiation mask, which is perfectly well achieved with current techniques.
  • the mask can easily be duplicated or reused for mass production.
  • the first and second sets can be assembled by welding, for example by laser welding.
  • Figure 1 there is shown a sprung balance adjusting device in top view partially broken away, limited to parts useful for understanding the invention, Figure 2 being an enlarged representation of the center of the device.
  • the regulating device comprises a rocker 10, whose axis 11 is pivoted in a cock 12 and a spiral 1.
  • the curve on the outside 2 of the spiral 1 is fixed in a known manner by fitting in a peak 15 of a holder. 13, and it is extended by a group of turns 3 to the beginning of the curve inside 4 to form a first set.
  • the second set comprises in the example shown the curve inside 4 welded at a point 7 on a shell 5.
  • the curve inside 4 which is represented as a curve Grossmann 14 conferring spiral 1 a concentric expansion, is welded to a point 9 at the end of the turns of the first set.
  • the material used may be any alloy known for its non-magnetic properties and for its low coefficient of thermal expansion, for example Elinvar, this first set being able to be shaped for example by strapping.
  • the material used will preferably be chosen for its mechanical properties and for its ease of forming. Even if the material used does not have all the desired properties to conform the whole spiral, given the short length of the curve inside, we can consider as negligible the impact of its defects on the overall performance spiral, these defects can in any case be corrected.
  • This second set may comprise only the curve inside which will then be welded at its end 7 to the shell 5 and at its end 9 at the ends of the turns of the first set.
  • a positive or negative photoresist with a thickness corresponding to the height "h" of desired blade, then is formed by means of a mask by photolithography and etching a hollow structure corresponding to the desired contour for the second set.
  • said hollow structure is filled with a metal or an alloy such as NiP, either by electrodeposition as indicated, for example, in US Pat. No. 4,661,212, or by compression and sintering of nanoparticles, as indicated by example in the patent application US 2001/0038803.
  • the second set is released by elimination of the sacrificial layer.
  • FIG. 3 the isochronism diagram of a bi-material self-compensating hairspring having the above-indicated characteristics is shown.
  • the amplitude of oscillation of the balance expressed in degrees relative to its equilibrium position has been plotted on the abscissa, and the ordinance deviation expressed in seconds per day.
  • This diagram has five curves corresponding to the usual measurement positions (1: horizontal, 2 to 5: the four vertical positions), and the dotted line corresponds to the envelope of all the most unfavorable positions.
  • the maximum deviation of the envelope for an amplitude of between 200 ° and 300 ° is used as the operating gap.
  • the maximum deviation corresponds to an amplitude of 300 ° and has a value of 2.1 s / d, which is about three times less than the difference that can be observed with an unmodified spiral of reference, ie monomaterial and without Grossmann curve.

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Abstract

Le spiral (1) est constitué par un premier ensemble, comprenant les spires (3) et la courbe à l'extérieur (2), réalisé en un premier matériau tel que l'Elinvar ayant un couple élastique peu ou pas sensible aux variations d'élongation, de température et de champ magnétique, et par un deuxième ensemble solidaire du premier ensemble, comprenant notamment la courbe à l'intérieur (4) réalisé en un deuxième matériau choisi essentiellement pour ses propriétés mécaniques et pour la facilité de conformation de ladite courbe à l'intérieur (4) selon un contour le plus favorable à une expansion concentrique du spiral, tel qu'une courbe Grossmann (14), ledit deuxième ensemble pouvant également comprendre la virole (5).
Figure imgaf001

Description

    DOMAINE TECHNIQUE
  • La présente invention a pour objet un spiral, destiné en particulier à être intégré dans le dispositif réglant balancier-spiral d'une pièce d'horlogerie, dont la courbe à l'intérieur est modifiée pour permettre une expansion concentrique des spires et améliorer ainsi l'isochronisme de ladite pièce d'horlogerie.
    • ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE
  • Pour qu'une pièce d'horlogerie ait le meilleur isochronisme possible il est nécessaire d'agir sur les paramètres de construction du balancier et du spiral, ainsi que sur le choix des matériaux afin d'améliorer les performances intrinsèques du dispositif réglant et de compenser ou réduire les écarts de marche dus à des variations des conditions extérieures, telles que la température ou le champ magnétique.
  • En ce qui concerne le spiral, la conformation de la courbe à l'extérieur pour la fixation directe ou indirecte au coq, la conformation de la courbe à l'intérieur pour la fixation à l'axe de balancier pour permettre un développement concentrique des spires, ainsi que le choix des matériaux jouent un rôle déterminant au niveau de l'isochronisme.
  • L'invention concerne plus particulièrement à la fois la conformation de la courbe à l'intérieur et le choix des matériaux pour réaliser la courbe à l'intérieur ainsi que l'ensemble des spires. Pour atteindre ce but il est bien connu de choisir un alliage amagnétique à faible coefficient de dilation et d'appliquer la règle dite "du point d'attache" pour conformer la courbe à l'intérieur d'un spiral selon un contour particulier, et notamment selon la courbe du Grossmann. Pour réaliser une telle courbe à l'extrémité intérieure d'un spiral, dont toutes les spires auront préalablement été formées par la technique connue d'estrapadage, il est nécessaire de faire appel à une main-d'oeuvre hautement qualifiée, de sorte que cette solution est réservée aux pièces d'horlogerie de haute précision, de haut de gamme et pour des séries limitées, mais n'est en aucun cas applicable à des fabrications en série. Compte-tenu de l'évolution des technologies, pour donner au spiral la forme optimum, on pourrait envisager de réaliser tout le spiral par photolithographie et croissance galvanique. Toutefois, en l'état actuel, il n'existe pas un métal ou un alliage qui soit satisfaisant à la fois pour sa facilité de conformation par galvanoplastie et pour ses propriétés d'élasticité et de coefficient thermique.
    • RESUME DE L'INVENTION
  • La présente invention vise donc à apporter une solution nouvelle en procurant un spiral pouvant être fabriqué de façon industrielle tout en ayant les qualités d'un spiral à courbe intérieure Grossmann dont l'influence sur une expansion concentrique du spiral est plus grande que celle résultant de la conformation de la courbe à l'extérieur.
  • A cet effet l'invention a pour objet un spiral auto-compensateur pour un dispositif réglant balancier-spiral, ledit spiral étant constitué par un premier ensemble, comprenant les spires et la courbe à l'extérieur, réalisé en un premier matériau ayant un couple élastique peu ou pas sensible aux variations d'élongation, de température et de champ magnétique, et par un deuxième ensemble solidaire du premier ensemble, comprenant notamment la courbe à l'intérieur, réalisé en un deuxième matériau choisi essentiellement pour ses propriétés mécaniques facilitant la conformation de ladite courbe à l'intérieur selon le contour le plus favorable à une expansion concentrique du spiral. Ce contour peut par exemple être une courbe Grossmann.
  • Pour fabriquer le deuxième ensemble, on peut utiliser les procédés connus, mais on utilise de préférence le procédé LIGA de photolithographie et croissance galvanique. On reporte ainsi la précision de la conformation de la courbe à l'intérieur sur la réalisation du masque d'irradiation, ce qu'on sait parfaitement réaliser avec les techniques actuelle. Le masque peut facilement être dupliqué ou réutilisé pour une fabrication en série.
  • En faisant appel au procédé LIGA pour réaliser le deuxième ensemble, on peut très facilement prévoir un masque permettant de former en même temps la virole pour la fixation de la courbe à l'intérieur sur l'axe de balancier. Lorsque les premier et deuxième matériaux sont des métaux ou des alliages, les premier et deuxième ensemble peuvent être assemblés par soudage, par exemple par soudage laser.
    • BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
  • D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description qui suit, donnée à titre illustratif et non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels :
    • la figure 1 représente en vue de dessus partiellement arrachée un balancier spiral pourvu d'un spiral selon l'invention;
    • la figure 2 représente une vue agrandie de la courbe à l'intérieur selon la flèche II de la figure 1, et
    • la figure 3 correspond à un diagramme d'isochronisme obtenu avec un spiral selon l'invention.
    DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
  • A la figure 1 on a représenté un dispositif réglant balancier-spiral en vue de dessus partiellement arrachée, en se limitant aux parties utiles à la compréhension de l'invention, la figure 2 étant une représentation agrandie du centre du dispositif.
  • Le dispositif réglant comprend un balancier 10, dont l'axe 11 est pivoté dans un coq 12 et un spiral 1. La courbe à l'extérieur 2 du spiral 1 est fixée de façon connue par encastrement dans un piton 15 d'un porte-piton 13, et elle est prolongée par un groupe de spire 3 jusqu'au début de la courbe à l'intérieur 4 pour former un premier ensemble.
  • Le deuxième ensemble, plus visible sur la figure agrandie 2, comprend dans l'exemple représenté la courbe à l'intérieur 4 soudée en un point 7 sur une virole 5. La courbe à l'intérieur 4, qui est représentée comme étant une courbe Grossmann 14 conférant au spiral 1 une expansion concentrique, est soudée en un point 9 à l'extrémité des spires du premier ensemble.
  • Ainsi, en séparant "physiquement" le premier ensemble et le deuxième ensemble, il est possible de choisir des matériaux différents et des méthodes de fabrication différentes, en fonction de la propriété dominante souhaitée.
  • Pour le premier ensemble, le matériau utilisé peut-être un quelconque alliage connu pour ses propriétés amagnétiques et pour son faible coefficient de dilatation thermique, par exemple de l'Elinvar, ce premier ensemble pouvant être conformé par exemple par estrapadage.
  • En ce qui concerne le deuxième ensemble, qui sera de préférence conformé par le procédé LIGA, le matériau utilisé sera de préférence choisi pour ses propriétés mécaniques et pour sa facilité de mise en forme. Même si le matériau utilisé n'a pas toutes les propriétés souhaitées pour conformer la totalité du spiral, compte-tenu de la faible longueur de la courbe à l'intérieur, on peut considérer comme négligeable l'impact de ses défauts sur la performance globale du spiral, ces défaut pouvant dans tous les cas être corrigés.
  • Ce deuxième ensemble peut comporter uniquement la courbe à l'intérieur qui sera alors soudé à son extrémité 7 à la virole 5 et à son extrémité 9 à l'extrémité des spires du premier ensemble. Lorsqu'on utilise le procédé LIGA, il est possible de façon avantageuse de conformer en même temps la courbe à l'intérieur 14 et la virole 5 en donnant à celle-ci la forme classique en étoile à quatre branches, ou toute autre forme appropriée.
  • Pour réaliser le deuxième ensemble par le procédé LIGA, dans une première étape on étale sur un substrat préalablement revêtu d'une couche sacrificielle un photorésist positif ou négatif avec une épaisseur correspondant à la hauteur "h" de lame désirée, puis on forme au moyen d'un masque par photolithographie et attaque chimique une structure en creux correspondant au contour désiré pour le deuxième ensemble. Dans une deuxième étape, on remplit ladite structure en creux d'un métal ou d'un alliage tel que NiP, soit par électrodéposition comme indiqué par exemple dans le brevet US 4 661 212, soit par compression et frittage de nanoparticules, comme indiqué par exemple dans la demande du brevet US 2001/0038803. Dans une dernière étape on libère le deuxième ensemble par élimination de la couche sacrificielle.
  • En se référant maintenant à la figure 3 on a représenté le diagramme d'isochronisme d'un spiral autocompensateur bi-matière ayant les caractéristiques sus-indiquées.
  • On a reporté en abscisses l'amplitude d'oscillation du balancier exprimée en degrés par rapport à sa position d'équilibre, et en ordonnées l'écart de marche exprimé en secondes par jour. Ce diagramme comporte cinq courbes correspondant aux positions usuelles de mesure (1 : horizontal; 2 à 5 : les quatre positions verticales), et le tracé en pointillés correspond à l'enveloppe de toutes les positions les plus défavorables. De façon usuelle, on retient comme écart de marche l'écart maximum de l'enveloppe pour une amplitude comprise entre 200° et 300°. Comme on peut le voir sur figure 3, l'écart maximum correspond à une amplitude de 300° et a pour valeur 2,1 s/j soit environ trois fois moins que l'écart qu'on peut observer avec un spiral non modifié de référence, c'est-à-dire monomatière et sans courbe Grossmann.
  • D'autres modifications au spiral autocompensateur bi-matière qui vient d'être décrit peuvent être apportées par l'homme de l'art sans sortir du cadre de la présente invention.

Claims (7)

  1. Spiral auto-compensateur (1) pour un dispositif réglant balancier-spiral dont la courbe à l'extérieur (2) est fixée au coq (12) dans lequel pivote l'axe du balancier (11) sur lequel est fixée la courbe à l'intérieur (4) du spiral (1), caractérisé en ce que le spiral (1) est constitué par un premier ensemble, comprenant les spires (3) et la courbe à l'extérieur (2), réalisé en un premier matériau ayant un couple élastique peu ou pas sensible aux variations d'élongation, de température et de champ magnétique, et par un deuxième ensemble solidaire du premier ensemble, comprenant notamment la courbe à l'intérieur (4) réalisé en un deuxième matériau choisi essentiellement pour ses propriétés mécaniques facilitant la conformation de ladite courbe à l'intérieur (4) selon un contour le plus favorable à une expansion concentrique du spiral.
  2. Spiral selon la revendication 1, caractérisé en ce que la courbe à l'intérieur (4) a le contour d'une courbe Grossmann (14).
  3. Spiral selon la revendication 1, caractérisé en ce que le deuxième ensemble comprend également une virole (5) permettant une fixation sur l'axe de balancier (11) et venant de matière avec la courbe à l'intérieur (4).
  4. Spiral selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau du premier ensemble est un alliage de type Elinvar et le matériau du deuxième ensemble est, essentiellement pour ses propriétés mécaniques et sa facilité de conformation, tel qu'un alliage NiP.
  5. Spiral selon la revendication 4, caractérisé en ce que le premier et le deuxième ensemble sont solidarisés par un point de soudage laser (9).
  6. Procédé de fabrication du deuxième ensemble d'un spiral selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on forme par le procédé LIGA un moule correspondant au contour désiré pour le deuxième ensemble et qu'on apporte dans ledit moule le deuxième matériau par croissance galvanique d'un métal ou d'un alliage.
  7. Procédé de fabrication du deuxième ensemble d'un spiral selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on forme par le procédé LIGA un moule correspondant au contour désiré pour le deuxième ensemble constitué par la courbe à l'intérieur (4) et par la virole (5) et qu'on apporte dans ledit moule le deuxième matériau par croissance galvanique.
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