EP1654597B1 - Balancier thermocompense - Google Patents

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EP1654597B1
EP1654597B1 EP04735863A EP04735863A EP1654597B1 EP 1654597 B1 EP1654597 B1 EP 1654597B1 EP 04735863 A EP04735863 A EP 04735863A EP 04735863 A EP04735863 A EP 04735863A EP 1654597 B1 EP1654597 B1 EP 1654597B1
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EP
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balance
balance wheel
disc
wheel according
circumference
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EP04735863A
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Pierre Gygax
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Fore Eagle Co Ltd
Original Assignee
Fore Eagle Co Ltd
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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
    • 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
    • G04B17/22—Compensation of mechanisms for stabilising frequency for the effect of variations of temperature
    • G04B17/222—Compensation of mechanisms for stabilising frequency for the effect of variations of temperature with balances
    • 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
    • G04B18/00—Mechanisms for setting frequency
    • G04B18/006—Mechanisms for setting frequency by adjusting the devices fixed on the balance

Definitions

  • the present invention relates to a pendulum of a watch movement made from a material having in particular a low coefficient of thermal expansion, such as diamond.
  • the dimensional variations of a balance due to temperature variations, are one of the major problems of these objects; in fact, these dimensional variations, associated with those of the spiral spring associated with it, are a cause of variation of the oscillation frequency of the balance / hairspring system, respectively a cause of the lack of precision of a clockwork movement in function of the temperature.
  • Means for compensating or correcting these variations have been proposed such as the bimetallic balance used in particular in marine chronometers.
  • the disadvantage of such a rocker is its unfavorable aerodynamic shape causing poor penetration into the air during its oscillation movement and the difficulty of maintaining the center of gravity of the balance on its pivot axis. It can not be installed in a watch movement that must work in any position.
  • a watch movement balance must have a mass as low as possible for as much inertia as possible, while having excellent mechanical strength.
  • a material having a low coefficient of thermal expansion, a low density and a high mechanical strength these parameters being compared here to those materials usually used for the construction of rockers, as per for example, copper alloys or nickel.
  • non-metallic materials of the carbon group comprising, for example, diamond or else metal oxides including for example corundum such as sapphire or ruby, the list of materials mentioned here being absolutely not exhaustive.
  • An object of the invention is therefore to provide a balance whose characteristics are significantly improved relative to those existing balances, in particular its behavior, respectively its insensitivity to temperature variations and its moment of inertia / mass ratio.
  • the balance 1 consists of a disc 10 obtained for example, by chemical etching using a plasma (Deep reactive ion etching), or by any other method, a diamond plate of generally constant thickness .
  • a rocker pivot 11 is fixed in known manner to the center of the disk 10.
  • a plurality of fastening means 12, eight in the example shown, are arranged on a circumference 120 close to the outer perimeter of the disk 10.
  • Ferrules or weights 2 are fixed on the disc 10 by the known fastening means 12.
  • the rocker 1 is assembled in a known manner to a spiral spring, not shown in the figure so as not to overload, the latter being disposed under the plane of the disc 10 as shown in FIG.
  • the figure 1 shows some examples of execution of the weights 2, it being understood that generally a given balance has only weights 2 of a certain type.
  • the weights 2 are essentially of shape or asymmetrically fixed relative to the circumference 120 on the disk 10.
  • the disk 10 comprises eight weights in the form of elongate elements, as represented for example by the weight 20, and assuming that the balance 1 thus formed is subjected to an increase in temperature, the disc 10 made of very low coefficient of thermal expansion, for example diamond, will see its diameter increase only very slightly.
  • the weights 20, that is to say made of a material with a thermal expansion coefficient that is much larger than that of the material constituting the disc 10, will have their dimensions increase by a ratio higher than that of the record 10.
  • the radius of gyration is the radius of the circumference over which the whole mass m of a pendulum having the same moment of inertia as that considered would be concentrated.
  • the oscillation frequency of the balance 1 also depends on the torque c supplied by the balance spring to said balance, this torque also varies with the temperature.
  • the mass m does not vary with the temperature, the shape, the dimensions and the positioning of the weights 20 will be determined so that for any temperature, the variation of the radius of gyration caused by the variation in diameter of the disk 10 is compensated by a corresponding variation of the radius of gyration caused by the dimensional variations of the weights.
  • the disc 10 expands very slightly, thereby increasing its own radius of gyration. Due to the increased diameter of the disk 10, the attachment points 12 of the weights 20 also move on a circumference 120 of larger diameter.
  • the weights 20 also increase their length, by a factor greater than the increase in diameter of the disc 10 since the coefficient of thermal expansion of the weights 20 is significantly higher than that of the material of the disc 10, and given the asymmetrical arrangement of weights on their attachment point, the portion of the mass of the weight placed on the side of the center of the disk 10 being generally larger than the portion of the mass of the weight placed in the direction of the outer perimeter of the disk, the center of gravity of the each weight moves towards the center of the disc 10, respectively the radius of gyration due solely to the flyweights decreases, partially compensating, completely or overcompensating the variation of the radius of gyration due to the disc.
  • the phenomenon is exactly reversed in the event of a drop in temperature.
  • the positioning of the weights 2 on the disc 10 makes it possible to adjust the thermal coefficient of the balance, respectively of the balance / balance system to a positive, zero or negative value as required.
  • the figure 1 also shows other possible forms of weights 2, it being understood that they are represented only by way of example and in no way limit the possible forms for obtaining the desired effect described above.
  • the flyweight 21 is essentially triangular in shape with rounded corners, since its mass is distributed asymmetrically around its center of gravity, the adjustment of the degree of thermal compensation can be done by rotating the flyweight around its attachment point.
  • the flyweight 22 is common at two attachment points.
  • the weight 23 is in the form of an elongate bar, it can adjust its degree of compensation by varying the angle ⁇ that makes the axis of the weight to the radius of the disc.
  • Another means of adjusting the degree of thermal compensation is shown on the weight 24 which has, for example an oblong hole 240 for adjusting the radial position of the weight.
  • the weights of each pair of two radially opposed weights are adjusted symmetrically, so as not to create unbalance.
  • at least one pair of orientable ferrules 25, generally known in the art, can be added to the device.
  • the flyweights can be cut and formed in order to reduce their friction in the air, as represented by way of example in the figure 2 .
  • the example described above and represented on the figure 1 shows a balance wheel provided with eight attachment points 12 of flyweights. It is understood that the balance wheel may include any number of attachment points, different from eight.
  • Disk 10 is described above and shown as consisting of a solid disk. This embodiment is particularly advantageous in view of the friction in the air caused by the oscillation movements of the balance around its pivot, a balance in the form of a solid disc having a better aerodynamic behavior than a compound beam a center and a serge connected by arms.
  • This form of execution as a solid disc is achievable due to the low density of the material; the realization of a solid disc does not pejorant excessively the mass of the disc 10.
  • openings, as represented in FIG. 13 or 130 can be arranged.
  • the disc 10 may not be absolutely flat and of constant thickness, it may also for example have a serge in the form of a flange on the outer perimeter of the disc.
  • a rocker as described above, according to one or the other of its variants as well as made with one or the other of the materials adapted for this purpose, can be used advantageously with a made spiral it is also made of a material with a low coefficient of thermal expansion, such as diamond, as well as with a metal balance spring.
  • the heat coefficient of the balance is then chosen so as to compensate for the thermal expansion of the spiral, low in the case of a diamond spiral and strong in the case of a metal balance spring.

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Description

  • La présente invention concerne un balancier d'un mouvement d'horlogerie constitué à partir d'un matériau possédant notamment un faible coefficient de dilatation thermique, comme par exemple le diamant.
  • Les variations dimensionnelles d'un balancier, dues aux variations de température, sont un des problèmes majeurs de ces objets ; en effet, ces variations dimensionnelles, associées à celles du ressort spiral qui lui est associé sont une cause de variation de la fréquence d'oscillation du système balancier / spiral, respectivement une cause du manque de précision d'un mouvement d'horlogerie en fonction de la température. Des moyens permettant de compenser ou corriger ces variations ont été proposés comme par exemple le balancier bimétallique utilisé notamment dans les chronomètres de marine. L'inconvénient d'un tel balancier est alors sa forme aérodynamique défavorable causant une mauvaise pénétration dans l'air lors de son mouvement d'oscillation ainsi que la difficulté de maintenir le centre de gravité du balancier sur son axe de pivotement. Il ne peut donc être installé dans un mouvement d'horlogerie devant fonctionner dans n'importe quelle position.
  • Par ailleurs, un balancier de mouvement d'horlogerie se doit d'avoir une masse aussi faible que possible pour une inertie aussi élevée que possible, tout en présentant une excellente résistance mécanique.
  • De manière avantageuse, pour confectionner un balancier, on choisira un matériau ayant un faible coefficient de dilatation thermique, une faible masse volumique et une résistance mécanique élevée, ces paramètres étant comparés ici à ceux des matériaux employés usuellement pour la confection de balanciers, comme par exemple les alliages cuivreux ou le nickel.
  • Plusieurs classes de matériaux remplissent ces conditions : par exemple les matériaux non métalliques du groupe du carbone comprenant par exemple le diamant ou alors les oxydes métalliques comprenant par exemple les corindons comme le saphir ou le rubis, la liste des matériaux mentionnés ici n'étant absolument pas exhaustive.
  • Des procédés d'obtention de pièces mécaniques, notamment de pièces utilisées dans les mouvements d'horlogerie, par gravage chimique (Deep reactive ion etching) d'une plaque de diamant ont été décrits. Les caractéristiques physico-chimiques favorables du diamant, en particulier le faible coefficient de frottement, la forte résistance aux chocs, la résistance mécanique, la faible masse volumique, le module d'élasticité élevé, le faible coefficient de dilatation thermique sont parmi d'autres des paramètres favorisant son utilisation dans le domaine précité.
  • Selon des procédés d'usinage semblables à ceux mentionnés ci-dessus ou d'autres procédé, d'autres matériaux que le diamant sont aussi aptes à être utilisés pour la confection de pièces mécaniques comme des balanciers de mouvement d'horlogerie.
  • Ce sont donc le faible coefficient de dilatation thermique, la faible masse volumique et la forte résistance mécanique qui sont ici des paramètres favorables à l'utilisation de ces différents matériaux pour la confection d'un balancier.
  • Un but de l'invention est donc de proposer un balancier dont les caractéristiques soient nettement améliorées relativement à celles des balanciers existants, en particulier son comportement, respectivement son insensibilité aux variations de température ainsi que son rapport moment d'inertie / masse.
  • On propose aussi un mouvement d'horlogerie muni d'un tel balancier, de même qu'une pièce d'horlogerie équipée d'un tel mouvement.
  • Un balancier tel que désiré est décrit à la revendication 1, alors qu'un mouvement d'horlogerie et une pièce d'horlogerie comme proposés sont respectivement décrits à la revendication 16 et à la revendication 17.
  • Une forme d'exécution particulière d'un balancier selon l'invention comportant plusieurs variantes est décrite ci-dessous, cette description étant à considérer en regard du dessin annexé comportant les figures où :
    • la figure 1 est une vue en plan d'un balancier selon l'invention, et
    • la figure 2 est une vue en coupe d'un détail de la figure 1.
  • Selon la forme d'exécution de la figure 1, le balancier 1 est constitué d'un disque 10 obtenu par exemple, par gravage chimique à l'aide d'un plasma (Deep reactive ion etching), ou par tout autre procédé, d'une plaque de diamant d'épaisseur généralement constante. Un pivot de balancier 11 est fixé de manière connue au centre du disque 10. Une pluralité de moyens de fixation 12, huit dans l'exemple représenté, sont disposés sur une circonférence 120 proche du périmètre extérieur du disque 10. Des viroles ou masselottes 2 sont fixées sur le disque 10 par les moyens de fixation connus 12.
  • Le balancier 1 est assemblé de manière connue à un ressort spiral, non représenté sur la figure afin de ne pas la surcharger, ce dernier élément étant disposé sous le plan du disque 10 tel que représenté sur la figure.
  • La figure 1 montre quelques exemples d'exécution des masselottes 2, étant entendu que généralement un balancier donné ne comporte que des masselottes 2 d'un type déterminé.
  • Les masselottes 2 sont essentiellement de forme ou fixées de manière asymétrique relativement à la circonférence 120 sur le disque 10. En effet, en considérant que le disque 10 comprend huit masselottes en forme d'éléments allongés, comme représenté par exemple par la masselotte 20, et en supposant que le balancier 1 ainsi constitué est soumis à une augmentation de température, le disque 10 en matériau de très faible coefficient de dilatation thermique, par exemple en diamant, ne verra son diamètre augmenter que très faiblement. Par contre, les masselottes 20, métalliques, c'est-à-dire constituées en un matériau à coefficient de dilatation thermique nettement plus important que celui du matériau constituant le disque 10, verront leurs dimensions augmenter d'un rapport plus élevé que celui du disque 10.
  • La fréquence d'oscillation du balancier 1 dépend d'une part de son moment d'inertie, ce dernier paramètre étant égal à : l = m . r 2
    Figure imgb0001
  • Avec:
    • l : moment d'inertie
    • m. masse du balancier
    • r : rayon de giration du balancier
  • Le rayon de giration est le rayon de la circonférence sur laquelle serait concentrée toute la masse m d'un balancier ayant le même moment d'inertie que celui considéré.
  • La fréquence d'oscillation du balancier 1 dépend d'autre part du couple c fourni par le spiral audit balancier, ce couple variant aussi avec la température.
  • Pour un ensemble balancier / spiral, on cherche donc à obtenir un rapport :
    • l / c = constante en fonction de la température.
  • La masse m ne variant pas avec la température, la forme, les dimensions et le positionnement des masselottes 20 seront déterminées de manière à ce que, pour toute température, la variation du rayon de giration provoquée par la variation de diamètre du disque 10 soit compensée par une variation correspondante du rayon de giration provoquée par les variations dimensionnelles des masselottes.
  • Par exemple, en cas d'augmentation de température, le disque 10 se dilate très légèrement, augmentant de ce fait son propre rayon de giration. A cause de l'augmentation de diamètre du disque 10, les points de fixation 12 des masselottes 20 se déplacent aussi sur une circonférence 120 de plus grand diamètre. Les masselottes 20 augmentent aussi leur longueur, d'un facteur plus élevé que l'augmentation de diamètre du disque 10 puisque le coefficient de dilatation thermique des masselottes 20 est nettement plus élevé que celui du matériau du disque 10, et vu la disposition asymétrique des masselottes sur leur point de fixation, la portion de la masse de la masselotte disposée du côté du centre du disque 10 étant généralement plus grande que la portion de la masse de la masselotte disposée en direction du périmètre extérieur du disque, le centre de gravité de chaque masselotte se déplace en direction du centre du disque 10, respectivement le rayon de giration dû uniquement aux masselottes diminue, compensant partiellement, complètement ou surcompensant la variation du rayon de giration dû au disque. Le phénomène est exactement inversé en cas de baisse de température.
  • Ainsi, en choisissant judicieusement la forme, le volume, le degré d'asymétrie autour de la fixation ainsi que le matériau, respectivement le coefficient de dilatation thermique des masselottes 2, on peut obtenir une surcompensation de l'effet thermique faisant que le rayon de giration du balancier diminue en fonction de la température, donnant ainsi au balancier un coefficient de température négatif. En associant ce balancier à coefficient de température négatif à un spiral à coefficient de température positif, on peut ainsi obtenir un système balancier / spiral absolument insensible aux variations de température.
  • Le positionnement des masselottes 2 sur le disque 10 permet d'ajuster le coefficient thermique du balancier, respectivement du système balancier / spiral à une valeur positive, nulle ou négative selon les besoins.
  • La figure 1 montre aussi d'autres formes possibles de masselottes 2, étant bien entendu qu'elle ne sont représentées qu'à titre d'exemple et ne limitent en aucun cas les formes possibles permettant d'obtenir l'effet désiré décrit ci-dessus.
  • La masselotte 21 est de forme essentiellement triangulaire à coins arrondis, vu que sa masse est répartie asymétriquement autour de son centre de gravité, le réglage du degré de compensation thermique peut se faire en faisant pivoter cette masselotte autour de son point de fixation. La masselotte 22 est commune à deux points de fixation. La masselotte 23 est en forme de barrette allongée, on peut régler son degré de compensation en faisant varier l'angle α que fait l'axe de la masselotte avec le rayon du disque. Un autre moyen de réglage du degré de compensation thermique est représenté sur la masselotte 24 qui présente, par exemple un trou oblong 240 permettant de régler la position radiale de la masselotte.
  • Afin d'obtenir un équilibre du balancier, les masselottes de chaque paire de deux masselottes radialement opposées sont réglées symétriquement, de manière à ne pas créer de balourd. Pour réaliser un équilibre statique et dynamique fin, on peut adjoindre au dispositif au moins un paire de viroles orientables 25, généralement connues de la technique.
  • Afin d'améliorer le comportement aérodynamique du balancier lors de son mouvement d'oscillation, les masselottes peuvent être taillées et formées de manière à diminuer leur frottement à l'air, comme représenté à titre d'exemple à la figure 2.
  • On comprend donc qu'en montant des masselottes de l'un des types représentés à titre d'exemples de réalisations possibles en 20, 21, 22, 23 ou 24, ainsi qu'éventuellement une paire de viroles orientables 25, il est possible d'ajuster finement lors du montage, aussi bien le coefficient de température du balancier ainsi que son équilibre statique et dynamique. Une fois ces réglages effectués lors du montage, il n'est généralement plus nécessaire de procéder à des réglages ultérieurs.
  • L'exemple décrit ci-dessus et représenté sur la figure 1 montre un disque de balancier muni de huit points de fixation 12 de masselottes. Il est bien entendu que le disque de balancier peut comprendre un nombre quelconque de points de fixation, différent de huit.
  • Le disque 10 est décrit ci-dessus et représenté comme étant constitué d'un disque plein. Cette forme d'exécution est particulièrement avantageuse en considération des frottements dans l'air provoqués par les mouvements d'oscillation du balancier autour de son pivot, un balancier ayant la forme d'un disque plein présentant un meilleur comportement aérodynamique qu'un balancier composé d'un centre et d'une serge reliés par des bras. Cette forme d'exécution sous forme de disque plein est réalisable grâce à la faible masse volumique du matériau; la réalisation d'un disque plein ne péjorant par excessivement la masse du disque 10. Toutefois, si une diminution de la masse du disque est absolument nécessaire, vu la forte résistance mécanique du matériau, notamment du diamant, des ouvertures, telles que représentées en 13 ou 130 peuvent être aménagées. De même, le disque 10 peut ne pas être absolument plat et d'épaisseur constante, il peut aussi par exemple présenter une serge sous forme d'un rehaut sur le périmètre extérieur du disque.
  • Un balancier comme décrit ci-dessus, selon l'une ou l'autre de ses variantes d'exécution ainsi que confectionné avec l'un ou l'autre des matériaux adaptés à cet usage, peut être utilisé de manière avantageuse avec un spiral confectionné lui aussi en un matériau à faible coefficient de dilatation thermique, comme par exemple le diamant, de même qu'avec un spiral métallique. Le coefficient thermique du balancier est alors choisi de manière à compenser la dilatation thermique du spiral, faible dans le cas d'un spiral en diamant et forte dans le cas d'un spiral métallique.

Claims (17)

  1. Balancier pour un mouvement d'horlogerie, comprenant :
    un disque (10) obtenu à partir d'une plaque en un matériau présentant un coefficient de dilatation thermique ainsi qu'une masse volumique inférieures à ceux du nickel, caractérisé en ce que ledit disque comporte une pluralité de moyens de fixation (12) répartis sur une circonférence (120) proche du périmètre extérieur du disque, et
    une pluralité de masselottes (2, 20, 21, 22, 23, 24) chacune étant fixée à un desdits moyens de fixation, lesdites masselotte (2, 20, 21, 22, 23, 24) étant constituées en un matériau présentant un coefficient de dilatation thermique supérieur à celui du matériau constituant le disque,
    le disque (10) étant confectionné par gravage chimique à l'aide d'un plasma d'une plaque dudit matériau constituant ledit disque.
  2. Balancier selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit matériau constituant ledit disque (10) est du groupe du carbone.
  3. Balancier selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit matériau constituant ledit disque (10) est du groupe des oxydes métalliques.
  4. Balancier selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit matériau est du diamant.
  5. Balancier selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit matériau est un corindon comme du saphir ou du rubis.
  6. Balancier selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour chaque masselotte, la portion de masse de la masselotte située à l'extérieur de la circonférence (120) sur laquelle sont installés les moyens de fixation (12) est différente de la portion de masse de la masselotte située à l'intérieur de ladite circonférence.
  7. Balancier selon la revendication 6, caractérisé en ce que le rapport entre la portion de masse de la masselotte située à l'extérieur de la circonférence (120) sur laquelle sont installés les moyens de fixation (12) et la portion de masse de la masselotte située à l'intérieur de ladite circonférence est choisi de manière à ce que la variation en fonction de la température du rayon de giration du balancier soit nulle, procurant audit balancier un coefficient de température nul.
  8. Balancier selon la revendication 6, caractérisé en ce que le rapport entre la portion de masse de la masselotte située à l'extérieur de la circonférence (120) sur laquelle sont installés les moyens de fixation (12) et la portion de masse de la masselotte située à l'intérieur de ladite circonférence est choisi de manière à ce que la variation en fonction de la température du rayon de giration du balancier soit négative, respectivement que le rayon de giration diminue pour une augmentation de température, procurant audit balancier un coefficient de température négatif.
  9. Balancier selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que le réglage du rapport entre la portion de masse de la masselotte située à l'extérieur de la circonférence (120) sur laquelle sont installés les moyens de fixation (12) et la portion de masse de la masselotte située à l'intérieur de ladite circonférence est obtenu par pivotement de la masselotte (21, 23) autour de son moyen de fixation.
  10. Balancier selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que le réglage du rapport entre la portion de masse de la masselotte située à l'extérieur de la circonférence (120) sur laquelle sont installés les moyens de fixation (12) et la portion de masse de la masselotte située à l'intérieur de ladite circonférence est obtenu par déplacement radial de la masselotte (24) sur son moyen de fixation.
  11. Balancier selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins une paire de viroles orientables (25) permettant d'équilibrer statiquement et dynamiquement le balancier.
  12. Balancier selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les masselottes sont taillées de manière à présenter une faible résistance aérodynamique.
  13. Balancier selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le disque (10) est plein.
  14. Balancier selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le disque (10) présente au moins une ouverture (13, 130).
  15. Balancier selon l'une des revendications précédentes, associé à un ressort spiral, caractérisé en ce que le rapport du moment d'inertie de l'ensemble divisé par le couple fourni par le ressort spiral au balancier est une constante en fonction de la température.
  16. Mouvement d'horlogerie comprenant un balancier selon l'une des revendications précédentes.
  17. Pièce d'horlogerie comprenant un mouvement d'horlogerie selon la revendication 16.
EP04735863A 2003-08-13 2004-06-03 Balancier thermocompense Expired - Lifetime EP1654597B1 (fr)

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