EP1921518A1 - Assembly component comprising overlaid blade-shaped elastic structures and timepiece equipped with this component - Google Patents
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- EP1921518A1 EP1921518A1 EP06123784A EP06123784A EP1921518A1 EP 1921518 A1 EP1921518 A1 EP 1921518A1 EP 06123784 A EP06123784 A EP 06123784A EP 06123784 A EP06123784 A EP 06123784A EP 1921518 A1 EP1921518 A1 EP 1921518A1
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Abstract
Description
L'invention concerne un élément d'assemblage et une pièce d'horlogerie comportant un tel élément.The invention relates to an assembly element and a timepiece comprising such an element.
L'invention concerne plus particulièrement un élément d'assemblage réalisé dans une plaque en matériau cassant tel que du silicium, notamment pour une pièce d'horlogerie, comportant une ouverture prévue pour l'insertion axiale d'un arbre, la paroi intérieure de l'ouverture comportant des structures élastiques qui sont gravées dans la plaque et qui comportent chacune au moins une surface d'appui pour serrer radialement l'arbre en vue d'assurer la fixation de l'élément d'assemblage par rapport à l'arbre, dans lequel chaque structure élastique comporte une première lame élastique rectiligne qui s'étend suivant une direction tangentielle par rapport à l'arbre, la surface d'appui étant agencée sur la face interne de la première lame élastique.The invention more particularly relates to an assembly element made in a plate of brittle material such as silicon, in particular for a timepiece, having an opening provided for the axial insertion of a shaft, the inner wall of the opening comprising elastic structures which are etched in the plate and which each comprise at least one bearing surface for radially clamping the shaft in order to secure the fastening element with respect to the shaft, wherein each elastic structure comprises a first straight elastic blade which extends in a direction tangential to the shaft, the bearing surface being arranged on the inner face of the first elastic blade.
Généralement, dans les pièces d'horlogerie, les éléments d'assemblage tels que les aiguilles horlogères et les roues dentées sont fixées sur leur arbre de rotation par chassage, c'est-à-dire qu'un cylindre creux est forcé sur un axe possédant un diamètre légèrement supérieur au diamètre intérieur du cylindre. Les propriétés élastiques et plastiques du matériau employé, généralement un métal, sont utilisées pour ce chassage. Pour des composants réalisés en matériau cassant tel que du silicium, matériau qui ne possède pas de domaine plastique utilisable, il n'est pas possible de chasser un cylindre creux sur un arbre de rotation conventionnel tels que ceux qui sont utilisés dans l'horlogerie mécanique, avec une tolérance de diamètre de l'ordre de +/- 5 microns.Generally, in timepieces, the assembly elements such as the watch hands and the gears are fixed on their rotary shaft by driving, that is to say that a hollow cylinder is forced on an axis. having a diameter slightly greater than the inside diameter of the cylinder. The elastic and plastic properties of the material used, generally a metal, are used for this hunting. For components made of brittle material such as silicon, which material does not have a usable plastic field, it is not possible to drive a hollow cylinder on a conventional rotating shaft such as those used in mechanical watchmaking , with a diameter tolerance of the order of +/- 5 microns.
De plus, la solution de fixation de l'élément d'assemblage tel qu'une aiguille doit fournir une force suffisante pour maintenir en place l'élément lors de chocs. La force nécessaire pour une aiguille horlogère conventionnelle est par exemple de l'ordre de un Newton.In addition, the fixing solution of the connecting element such as a needle must provide sufficient force to hold the element in place during shocks. The force required for a conventional watchmaking needle is for example of the order of a Newton.
Pour résoudre ces problèmes, il a déjà été proposé de réaliser, dans un élément d'assemblage tel qu'une virole de ressort à spiral en silicium, des structures élastiques en forme de lames flexibles agencées sur le pourtour de l'ouverture, de manière à permettre la fixation de la virole sur un arbre à la manière d'un chassage, en utilisant la déformation élastique des lames pour serrer l'arbre et retenir la virole sur l'arbre. Un tel exemple de fixation est décrit notamment dans le document
L'invention vise à apporter des perfectionnements à cette solution, notamment pour permettre l'utilisation de cet élément d'assemblage comme élément rotatif dans un mécanisme d'horlogerie, en particulier comme aiguille horlogère.The invention aims to provide improvements to this solution, in particular to allow the use of this assembly element as a rotary element in a clockwork mechanism, in particular as a watchmaking needle.
Dans ce but, l'invention propose un élément d'assemblage du type décrit précédemment, caractérisé en ce que chaque structure élastique est constituée par un empilement radial de plusieurs lames élastiques parallèles, chaque lame élastique étant espacée radialement de la lame élastique adjacente par une lumière intercalaire rectiligne en deux parties, les deux parties de la lumière intercalaire étant séparées par un pont de matière qui relie les deux lames élastiques adjacentes et qui est sensiblement aligné radialement avec la surface d'appui, et en ce que la dernière lame élastique de l'empilement, qui est située du côté opposé à la première lame, est espacée radialement du reste de la plaque par une lumière en une seule partie, dite lumière de débattement, qui définit un espace de débattement radial pour la structure élastique.For this purpose, the invention proposes an assembly element of the type described above, characterized in that each elastic structure is constituted by a radial stack of several parallel elastic blades, each elastic blade being spaced radially from the adjacent elastic blade by a a two-part rectilinear intermediate light, the two parts of the intermediate light being separated by a bridge of material which connects the two adjacent elastic strips and which is substantially radially aligned with the bearing surface, and in that the last elastic blade of the stack, which is located on the opposite side to the first blade, is radially spaced from the remainder of the plate by a single-piece light, called the deflection lumen, which defines a radial clearance space for the elastic structure.
L'élément d'assemblage selon l'invention permet d'améliorer la force de serrage contre l'arbre, pour permettre une meilleure répartition des efforts liés à la déformation élastique dans le matériau constituant l'élément d'assemblage, et pour permettre un meilleur contrôle de la force de serrage obtenue sur l'arbre. En particulier, les forces de rappel de chaque lame élastique d'un empilement s'additionnent tout en conservant une raideur de chaque lame élastique aussi basse que possible. On obtient une flexion importante de la structure élastique, en particulier au niveau de la surface d'appui, sans quitter le domaine élastique du matériau. Ainsi, les structures élastiques selon l'invention offrent un débattement radial, suite à leur déformation élastique, qui est suffisamment important pour compenser les tolérances de fabrication appliquées au diamètre d'un arbre tel que ceux qui sont utilisés dans des pièces d'horlogerie pour l'entraînement des aiguilles.The assembly element according to the invention makes it possible to improve the clamping force against the shaft, to allow a better distribution of the forces related to the elastic deformation in the material constituting the connecting element, and to allow a better control of the clamping force obtained on the shaft. In particular, the restoring forces of each elastic blade of a stack add up while maintaining a stiffness of each elastic blade as low as possible. A significant bending of the elastic structure is obtained, in particular at the level of the bearing surface, without leaving the elastic domain of the material. Thus, the elastic structures according to the invention offer a radial displacement, following their elastic deformation, which is large enough to compensate for manufacturing tolerances applied to the diameter of a shaft such as those used in timepieces for the training of the needles.
De plus, les structures élastiques selon l'invention permettent d'optimiser le volume disponible sur l'élément d'assemblage pour réaliser la fonction de serrage et de fixation.In addition, the elastic structures according to the invention make it possible to optimize the volume available on the assembly element to perform the clamping and fixing function.
Selon d'autres caractéristiques de l'invention :
- dans chaque structure élastique, la longueur des lames élastiques diminue progressivement depuis la première lame élastique jusqu'à la dernière lame élastique de l'empilement;
- l'épaisseur radiale de chaque lame élastique est sensiblement constante sur toute sa longueur, et, dans chaque structure élastique, l'épaisseur radiale des lames élastiques diminue progressivement depuis la première lame élastique jusqu'à la dernière lame élastique de l'empilement;
- l'épaisseur radiale des lumières intercalaires est sensiblement constante pour chaque lumière intercalaire et sensiblement constante d'une lumière intercalaire à l'autre;
- l'épaisseur radiale minimale de la lumière de débattement est supérieure ou égale à l'épaisseur radiale des lumières intercalaires;
- le profil de chacune des extrémités de chaque lumière intercalaire est arrondi;
- la surface d'appui de la première lame élastique comporte des éléments discrets en relief qui augmentent la friction entre l'arbre et la surface d'appui;
- la paroi intérieure de l'ouverture comporte au moins trois structures élastiques qui sont réparties régulièrement autour de l'arbre;
- la paroi intérieure de l'ouverture est constituée par deux structures élastiques et par une surface d'appui fixe, les premières lames élastiques des deux structures élastiques définissent entre elles un angle déterminé, et la première lame élastique des deux structures élastiques se rejoignent à l'une de leurs extrémités fixes;
- le contour de la paroi intérieure de l'ouverture a globalement la forme d'un triangle isocèle, et la surface d'appui fixe constitue la base du triangle isocèle;
- la surface d'appui fixe est agencée à l'extrémité libre d'une découpe en saillie à l'intérieur de l'ouverture;
- l'élément d'assemblage est constitué par un élément rotatif prévu pour être monté solidaire à rotation sur l'arbre;
- l'élément d'assemblage est constitué par une aiguille horlogère.
- in each elastic structure, the length of the elastic blades gradually decreases from the first elastic blade to the last elastic blade of the stack;
- the radial thickness of each elastic blade is substantially constant over its entire length, and in each elastic structure, the radial thickness of the elastic blades gradually decreases from the first elastic blade to the last elastic blade of the stack;
- the radial thickness of the intermediate lights is substantially constant for each intermediate light and substantially constant from one intermediate light to the other;
- the minimum radial thickness of the deflection light is greater than or equal to the radial thickness of the intermediate lights;
- the profile of each of the ends of each intermediate light is rounded;
- the bearing surface of the first elastic blade comprises discrete elements in relief which increase the friction between the shaft and the bearing surface;
- the inner wall of the opening comprises at least three elastic structures which are evenly distributed around the shaft;
- the inner wall of the opening is constituted by two elastic structures and a fixed support surface, the first elastic blades of the two elastic structures define between them a determined angle, and the first elastic blade of the two elastic structures meet at the same time. one of their fixed ends;
- the outline of the inner wall of the opening has generally the shape of an isosceles triangle, and the fixed bearing surface is the base of the isosceles triangle;
- the fixed bearing surface is arranged at the free end of a protruding cutout inside the opening;
- the connecting element is constituted by a rotary member adapted to be mounted to rotate with the shaft;
- the assembly element is constituted by a watchmaker's needle.
L'invention propose aussi une pièce d'horlogerie caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un élément d'assemblage selon l'une des caractéristiques précédentes.The invention also proposes a timepiece characterized in that it comprises at least one connecting element according to one of the preceding characteristics.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée qui suit, faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d'exemple non limitatifs et dans lesquels :
- la
figure 1 est une vue en coupe axiale qui représente schématiquement une pièce d'horlogerie équipée d'éléments d'assemblage constitués par des aiguilles horlogères réalisées conformément aux enseignements de l'invention; - les
figures 2 à 4 sont des vues de dessus qui représentent schématiquement respectivement l'aiguille des heures, l'aiguille des minutes, et l'aiguille des secondes équipant la pièce d'horlogerie de lafigure 1 et qui sont pourvues de structures élastiques à lames superposées; - la
figure 5 est une vue agrandie d'une partie de lafigure 2 qui représente la bague de fixation de l'aiguille des heures; - la
figure 6 est une vue agrandie d'une partie de lafigure 4 qui représente la bague de fixation de l'aiguille des secondes; - la
figure 7 est une vue similaire à celle de lafigure 6 qui représente une variante de réalisation des structures élastiques comportant des éléments discrets en relief sur la surface d'appui.
- the
figure 1 is an axial sectional view which schematically shows a timepiece equipped with assembly elements constituted by watch hands made in accordance with the teachings of the invention; - the
Figures 2 to 4 are views from above which schematically represent respectively the hour hand, the minute hand, and the second hand equipping the timepiece of thefigure 1 and which are provided with elastic structures with superposed blades; - the
figure 5 is an enlarged view of some of thefigure 2 which represents the fixing ring of the hour hand; - the
figure 6 is an enlarged view of some of thefigure 4 which represents the fixing ring of the seconds hand; - the
figure 7 is a view similar to that of thefigure 6 which represents an alternative embodiment of the elastic structures comprising discrete elements in relief on the bearing surface.
Dans la suite de la description, des éléments identiques ou similaires seront désignés par les mêmes références.In the remainder of the description, identical or similar elements will be designated by the same references.
Sur la
La pièce d'horlogerie 10 comporte un mouvement 12 monté à l'intérieur d'un boîtier 14 fermé par une glace 16. Le mouvement 12 entraîne en rotation, autour d'un axe A1, des moyens d'affichage analogique constitués ici par une aiguille des heures 18, une aiguille des minutes 20, et une aiguille des secondes 22, ces aiguilles s'étendant au-dessus d'un cadran 24. Les aiguilles 18, 20, 22 sont fixées sur des arbres 26, 28, 30 de rotation cylindriques coaxiaux par serrage élastique, à la manière d'un chassage, comme on le verra par la suite.The
De préférence, les arbres 26, 28, 30 sont des arbres conventionnels couramment utilisés dans les mouvements d'horlogerie, par exemple des arbres en métal ou en matériau plastique.Preferably, the
Dans la suite de la description, on utilisera à titre non limitatif une orientation axiale suivant l'axe de rotation A1 des aiguilles 18, 20, 22 et une orientation radiale relativement à cet axe A1. De plus, des éléments seront qualifiés d'intérieur ou d'extérieur, suivant l'orientation radiale, par rapport à l'axe A1.In the remainder of the description, non-limiting use will be made of an axial orientation along the axis of rotation A1 of the
Les aiguilles 18, 20, 22 constituent des éléments d'assemblage, chaque aiguille 18, 20, 22 étant réalisée dans une plaque en matériau cassant, de préférence en matériau cristallin à base de silicium.The
Les
On décrit maintenant un premier mode de réalisation avantageux des structures élastiques 34 selon l'invention en considérant l'aiguille des heures 18 telle que représentée sur la
Chaque structure élastique 34 est constituée par un empilement radial de plusieurs lames élastiques Ln rectilignes et parallèles, d'épaisseur radiale sensiblement constante, qui s'étendent chacune suivant une direction tangentielle par rapport à l'arbre 26 associé. La surface d'appui 36 de chaque structure élastique 34 est agencée sur la face interne 38 de la première lame élastique L1 de l'empilement, du côté de l'arbre 26. Dans chaque structure élastique 34, chaque lame élastique Ln est espacée radialement de la lame élastique Ln+1 , Ln-1 adjacente par une lumière intercalaire In rectiligne en deux parties Ina, Inb, les deux parties Ina, Inb de la lumière intercalaire In étant séparées par un pont de matière Pn qui relie les deux lames élastiques Ln adjacentes et qui est sensiblement aligné radialement avec la surface d'appui 36. La suite continue de ponts de matière Pn entre les lames élastiques Ln forme ainsi une poutre radiale de liaison 40.Each
Avantageusement, l'extrémité de chaque lumière intercalaire In présente un profil arrondi, par exemple en demi-cercle, de manière à éviter une accumulation des contraintes mécaniques aux extrémités ce qui pourrait conduire à des amorces de ruptures lors de la flexion des lames élastiques Ln.Advantageously, the end of each intermediate light I n has a rounded profile, for example in a semicircle, so as to avoid an accumulation of mechanical stresses at the ends which could lead to breakouts during the bending of the elastic blades L n .
Dans l'exemple représenté, l'empilement formant la structure élastique 34 comporte trois lames élastiques L1, L2, L3 et deux lumières intercalaires I1, I2. Les épaisseurs radiales des lumières intercalaires In sont ici sensiblement constantes et identiques.In the example shown, the stack forming the
Selon une autre caractéristique de l'invention, la dernière lame élastique L3 de l'empilement, qui est située du côté opposé à la première lame L1, est espacée radialement du reste de la plaque formant l'aiguille 18 par une lumière 42 en une seule partie, dite lumière de débattement 42, qui définit un espace de débattement radial pour la structure élastique 34 associée. On note que l'épaisseur radiale minimale de la lumière de débattement 42 est déterminée, d'une part, par l'épaisseur radiale minimale de fente permise par le procédé utilisé pour graver la plaque en matériau cassant et, d'autre part, par le débattement radial maximal de la structure élastique 34. On choisira le plus grand de ces deux paramètres pour l'épaisseur radiale minimale de la lumière de débattement 42. De préférence, l'épaisseur radiale de la lumière de débattement 42 est sensiblement constante et supérieure à l'épaisseur radiale des lumières intercalaires In.According to another characteristic of the invention, the last elastic blade L 3 of the stack, which is located on the opposite side to the first blade L 1 , is spaced radially from the rest of the plate forming the
Lorsque l'arbre 26 est inséré dans l'ouverture 32, l'effort exercé sur la surface d'appui 36 provoque une déformation élastique de toutes les lames élastiques Ln de la structure élastique 34 de sorte que la partie centrale de ces lames Ln se déplace radialement vers l'extérieur, en réduisant l'épaisseur radiale de la lumière de débattement 42 au droit de la poutre 40. Cette déformation élastique produit un serrage radial sur l'arbre 26 à la manière d'un chassage.When the
On note que la poutre de liaison 40 permet de lier toutes les lames élastiques Ln entre elles, de manière qu'elles puissent toutes se déformer simultanément lorsqu'un effort radial est appliqué sur la surface d'appui 36, et de manière à répartir les contraintes mécaniques en plusieurs endroits pour minimiser les risques de rupture.It is noted that the connecting
De préférence, dans chaque structure élastique 34, la longueur des lames élastiques Ln diminue progressivement depuis la première lame élastique L1 jusqu'à la dernière lame élastique L3 de l'empilement, ce qui permet de suivre globalement la courbure de la paroi extérieure cylindrique 44 de la bague de fixation 31.Preferably, in each
Selon le mode de réalisation représenté sur la
Pour obtenir une force de serrage maximale sur l'arbre 26, dans un volume donné de matériau de la bague de fixation 31, l'épaisseur radiale de chaque lumière intercalaire In est minimisée.To obtain a maximum clamping force on the
Avantageusement, pour chaque aiguille 18, 20, 22, le nombre de structures élastiques 34 agencées autour de l'ouverture 32 est choisi en fonction du diamètre de l'arbre 26, 28, 30 associé et en fonction de l'espace radial disponible entre la paroi intérieure 33 de l'ouverture 32 et la paroi extérieure 44 de la bague de fixation 31 de l'aiguille 18, 20, 22. Ainsi, plus le diamètre de l'arbre 26, 28, 30 est important et plus l'espace radial mentionné ci-dessus est faible, plus le nombre de structures élastiques 34 est important.Advantageously, for each
Ainsi, dans le présent mode de réalisation, comme le diamètre de l'arbre 26 associé à l'aiguille des heures 18 est beaucoup plus important que le diamètre de l'arbre 30 associé à l'aiguille des secondes 22, et comme le diamètre extérieur de la bague de fixation 31 n'évolue pas proportionnellement, il a été sélectionné un nombre de structures élastiques 34 égal à quatre pour l'aiguille des heures 18 alors que le nombre de structures élastiques 34 est égal à deux pour l'aiguille des secondes 22. De manière intermédiaire, le nombre de structures élastiques 34 dans l'aiguille des minutes 20 est ici égal à trois.Thus, in the present embodiment, as the diameter of the
On note que, pour l'aiguille des heures 18 et l'aiguille des minutes 20, les structures élastiques 34 sont réparties de manière régulière autour de l'axe A1, de sorte que le contour intérieur de l'ouverture 32 a globalement une forme carrée et une forme triangulaire respectivement.It is noted that, for the
On décrit maintenant, en considérant notamment la
La surface d'appui fixe 46 s'étend suivant une direction tangentielle, par rapport à l'arbre 30 associé, et elle forme la base d'un triangle isocèle dont les deux autres côtés sont formés par la face interne 38 des premières lames élastiques L1 des deux structures élastiques 34. La surface d'appui fixe 46 est ici agencée à l'extrémité libre d'une découpe 48, globalement en forme de trapèze, en saillie à l'intérieur de l'ouverture 32. La découpe 48 est gravée dans la plaque formant l'aiguille 22 et elle comporte ici deux parois latérales 50, 52 qui s'étendent chacune parallèlement à la première lame L1 de la structure élastique 34 en vis-à-vis.The fixed
L'arbre 30 associé à l'aiguille des secondes 22 est prévu pour être en appui contre la surface d'appui fixe 46 et contre les surfaces d'appui 36 des structures élastiques 34.The
On note que le contour de la paroi intérieure 33 de l'ouverture 32 a globalement la forme d'un triangle isocèle.Note that the contour of the
Selon un mode de réalisation avantageux représenté sur la
Bien entendu, cette variation d'épaisseur entre les lames élastiques Ln peut être appliquée aux autres modes de réalisation d'aiguilles 18, 20, 22.Of course, this variation in thickness between the elastic strips L n may be applied to other embodiments of
On note que le nombre de lames élastiques Ln formant chaque empilement peut être adapté en fonction de divers paramètres, notamment en fonction de l'espace radial disponible, en fonction de la force de serrage désirée sur l'arbre associé, en fonction du type de matériau utilisé pour fabriquer l'aiguille 18, 20, 22 associée.Note that the number of elastic blades L n forming each stack can be adapted according to various parameters, in particular according to the available radial space, depending on the desired clamping force on the shaft associated, depending on the type of material used to manufacture the
Sur la
Bien entendu, cette variante de réalisation est applicable aux surface d'appui 36 agencées dans les ouvertures 32 des aiguilles des heures 18 et des minutes 20 décrites en relation avec les
Bien que la présente invention ait été décrite en relation avec des éléments d'assemblage constitués par des aiguilles 18, 20, 22, elle ne se limite pas à ces modes de réalisation. Ainsi, l'élément d'assemblage peut être constitué par un autre type d'élément rotatif, par exemple par une roue dentée utilisée dans un mouvement d'horlogerie. L'élément d'assemblage peut aussi être constitué par un élément non rotatif, par exemple une plaque en matériau cassant prévue pour être assemblée sur un autre élément comportant un arbre de fixation, ou tenon, en métal.Although the present invention has been described in connection with assembly elements constituted by
La présente invention est applicable à une aiguille 18, 20, 22 réalisée dans une plaque de silicium comportant une seule couche de silicium, ainsi que dans une plaque de silicium du type SOI (Silicon On Insulator) qui comprend une couche supérieure et une couche inférieure de silicium séparées par une couche intermédiaire d'oxyde de silicium.The present invention is applicable to a
Claims (14)
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