EP2911012B1 - Oszillator einer Uhr - Google Patents

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EP2911012B1
EP2911012B1 EP14156053.2A EP14156053A EP2911012B1 EP 2911012 B1 EP2911012 B1 EP 2911012B1 EP 14156053 A EP14156053 A EP 14156053A EP 2911012 B1 EP2911012 B1 EP 2911012B1
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EP
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oscillator
balance
plane
blades
blade
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EP14156053.2A
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English (en)
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EP2911012A1 (de
Inventor
Simon Henein
Ivar Kjelberg
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Centre Suisse dElectronique et Microtechnique SA CSEM
Original Assignee
Centre Suisse dElectronique et Microtechnique SA CSEM
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    • G—PHYSICS
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    • 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
    • G04B17/045—Oscillators acting by spring tension with oscillating blade springs
    • G—PHYSICS
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    • G04B17/00—Mechanisms for stabilising frequency
    • G04B17/04—Oscillators acting by spring tension
    • G04B17/10—Oscillators with torsion strips or springs acting in the same manner as torsion strips, e.g. weight oscillating in a horizontal plane

Definitions

  • a regulating member which is, usually to this day, a sprung balance.
  • the latter is made up of three main parts: the balance which acts as a flywheel, a shaft terminated by pivots, which allows the balance to be mounted in a timepiece frame and a spiral spring which produces a torque. of return proportional to the angular displacement of the balance.
  • the object of the present invention is to propose an oscillator incorporating the advantages of the systems of the state of the art, but at least partially free from their drawbacks.
  • the invention relates to a rotary oscillator with virtual pivot, that is to say without a physical pivot in the usual sense of the term, which comprises a support element intended to allow assembly of the oscillator on a timepiece, a balance, a plurality of flexible blades connecting the support element to the balance capable of exerting a return torque on the balance, and a rim mounted integral with the balance.
  • the invention relates to two alternative embodiments of an oscillator, as defined by independent claims 1 and 2, as well as two corresponding alternative microsystems, as defined in independent claims 16 and 17.
  • the invention makes it possible to ensure proper rotation, that is to say in which the axis of oscillation is fixed, and without friction, except that of the air.
  • quality factors of the oscillator are obtained which are typically an order of magnitude higher than the oscillators of the state of the art, which reflects a reduction in the damping of the oscillation.
  • This proper rotation makes it possible to produce on the oscillator a return torque almost proportional to the angular displacement.
  • the figure 1 shows a rotary oscillator 1 for a timepiece according to the invention which comprises a support element 2 intended to allow its assembly on a frame (not shown) of a mechanical watch.
  • the oscillator 1 also comprises a balance 3, which, in this example, comprises a circular element comprising a central opening, inside which the support element 2 takes place. The latter is located in the plane of the balance 3, near the center of balance 3 or its center of gravity in the case of a non-circular balance.
  • the support element 2 is connected to the balance 3 by a plurality of flexible blades connecting the support element 2 to the balance 3.
  • a rim 4 is mounted integral with the balance 3 to give sufficient inertia to the oscillator 1.
  • the figure 1 presents a first embodiment of the invention, in which there are two flexible blades of which a first blade 51 disposed in a first plane perpendicular to the plane of oscillator 1, and a second blade 53 disposed in a second plane perpendicular to the plane of oscillator 1 and secant with the foreground.
  • the first 51 and second 53 blades are advantageously of identical geometry.
  • the height of the blades is the dimension perpendicular to the plane of the balance 3.
  • the length of the blade is naturally the dimension located in the plane of the balance 3, along the longitudinal axis of the blade, and the thickness is the dimension perpendicular to the length, in the plane of the balance 3.
  • the thickness is reduced so as to give the blades flexibility in the plane of the balance 3.
  • the height of the blades is defined so as to provide sufficient rigidity to hold the balance 3 in the same plane as the support element 2 when the oscillator 1 is assembled on the frame.
  • the first and second planes intersect on a straight line which passes 7/8 th of the length of each blade 51 and 53 and which defines a virtual axis of oscillation 7 of oscillator 1.
  • the plurality of flexible blades comprises a pair formed of a first 51 and of a second 52 blades arranged in the first plane perpendicular to the plane of the oscillator 1.
  • the first 51 and second 52 blades are of identical geometry.
  • the plurality of blades also includes a third blade 53 disposed in the second plane perpendicular to the plane of oscillator 1, and intersecting with the first plane.
  • the third blade 53 is interposed between the first 51 and the second 52 blades and has a height double that of the first 51 or of the second 52 blade.
  • the figure 4 shows a side view of the flexible slats in which we can clearly see the arrangement of the flexible slats and the difference in height of the slats.
  • the use of a plurality of flexible blades makes it possible to increase the out-of-plane rigidity of the virtual pivot.
  • the geometry of the blades is adapted so as to keep the rigidity of the pivot constant while keeping the symmetry of the rigidity with respect to the mean plane of the balance.
  • the balance 3 has a shape allowing it to be centered and balanced around the geometric axis of oscillation 7. Also, in the particular configuration illustrated by way of example, if its outer circumference is circular, its inner circumference which defines the central opening defines a polygon of symmetry of order N around the virtual axis of oscillation 7. At a first of their ends 51A, 52A and 53A, the blades are respectively positioned perpendicular to and in the middle of two sides of the polygon.
  • the inner periphery 31 of the balance 3 has a shape resulting from the superposition of a square and a Greek cross, the arms of which cross in their middle and are equidistant, the axes of the arms of the cross passing through the angles of the square with identical arms whose angles of the square and the arms of the cross are aligned.
  • the support element 2 has two faces which are substantially parallel, respectively, to the two sides of the polygon receiving the blades, so that, at their second end 51B, 52B and 53B, the blades are also positioned perpendicular to the faces of the element of support. They can also be positioned in the middle of said faces.
  • the first and second planes containing the slats are perpendicular.
  • the face of the support element 2 and the side of the polygon connecting the same blade are parallel.
  • the support element 2 makes it possible to assemble the oscillator 1 on the frame (not shown) of a mechanical watch, via fixing means 21, for example holes, which can also be shaped so as to provide means for indexing the position of oscillator 1.
  • the rim 4 is positioned integrally on the outer periphery of the balance 3. It is made of a material with a density greater than the density of the material of the balance 3, in order to give the oscillator 1 sufficient inertia.
  • serge 4 is a ring, but we could consider having a plurality of mallets, distributed regularly around the balance 3.
  • the balance 3 comprises a plurality of housings 32, advantageously circular, each receiving a weight 6.
  • the housings 32 are regularly distributed on the balance 3, and preferably arranged to equidistant from the geometric axis of oscillation 7.
  • Each of the weights 6 has a center of gravity positioned eccentrically with respect to each housing 32.
  • the balance 3 is structured so as to define, at each housing 32, an elastic element 33 taking place at least partially in said housing 32.
  • an elastic element 33 taking place at least partially in said housing 32.
  • the elastic elements 33 make it possible to hold the weights 6, by exerting on them a prestressing force generated by the deformation of the elastic elements 33 tending to maintain the weights 6 in their housing 32.
  • the rim 4 and the weights 6 can advantageously be made from the same material with a density greater than that of the material of the balance 3.
  • the support element 2, the balance 3 including the elastic elements 33, and the flexible blades 51, and 53 or 51, 52 and 53 depending on the cases proposed are of monolithic manufacture.
  • Such a microsystem 8, illustrated on figure 3 can be produced in silicon, by deep etching techniques. It is thus possible to obtain the precision required for the machining of the flexible blades 51, 52 and 53, which are typically only separated by a few microns.
  • the microsystem 8 is made of silicon and the rim 4 is made of gold. They are assembled at the wafer level by thermocompression. This allows a much more precise assembly than by conventional methods.
  • a microsystem 8 made of silicon it is possible to compensate for the thermal drift affecting the flexible blades of oscillator 1, by coating the latter with a coating of a material having a coefficient of thermal elasticity of the inverse Young's modulus of that of silicon.
  • the material chosen is typically SiO 2 .
  • the thickness of the coating is determined so as to correct the stiffness constant of the flexible blades 51 and 53, where appropriate 52, to reduce, or even eliminate, its dependence on temperature variations. It is also possible, by modulating the stiffness constant of the flexible blades, to compensate for the thermal drift of the inertia of the balance 3 so as to obtain an oscillation frequency as independent as possible of the temperature, in the intended range of use.
  • the entire outer surface of oscillator 1 can be oxidized and include a layer of SiO 2 , even if the role of this coating is essentially useful on the flexible blades 51, 52, 53.
  • the number of flexible blades presented in the examples described above is not limiting and those skilled in the art will know how to adapt the number of flexible blades and their arrangement according to their needs.
  • the maximum number of slats being defined by a compromise between the size granted to the system (in particular from an aesthetic point of view) and the stability of the system.
  • the blades of a pair can be on the same side of the midplane or on either side of this plane.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Micromachines (AREA)

Claims (17)

  1. Rotationsoszillator (1) für Uhr, umfassend:
    - ein Trägerelement (2), das bestimmt ist, die Verbindung des Oszillators (1) auf einer Uhr zu gestatten,
    - eine Unruh (3),
    - eine Vielzahl flexibler Klingen, welche das Trägerelement (2) mit der Unruh (3) verbinden und imstande sind, eine Rückstellkraft auf die Unruh (3) auszuüben,
    - einen Radkranz (4), der mit der Unruh (3) fest verbunden angebracht ist,
    wobei die Vielzahl flexibler Klingen mindestens zwei flexible Klingen aufweist, von denen eine erste (51) Klinge in einer ersten Ebene senkrecht zur Ebene des Oszillators (1) angeordnet ist und eine zweite (53) Klinge in einer zweiten Ebene senkrecht zur Ebene des Oszillators (1) und schneidend mit der ersten Ebene angeordnet ist,
    wobei die erste (51) und zweite (53) Klinge geometrisch identisch sind, und dadurch gekennzeichnet, dass die geometrische Oszillationsachse (7) des Oszillators (1) durch den Schnittpunkt der ersten Ebene und der zweiten Ebene bestimmt ist, wobei die geometrische Oszillationsachse (7) die erste (51) und zweite (53) Klinge bei 7/8 ihrer jeweiligen Länge kreuzt.
  2. Rotationsoszillator (1) für Uhr, umfassend:
    - ein Trägerelement (2), das zur Verbindung des Oszillators (1) auf einer Uhr bestimmt ist,
    - eine Unruh (3),
    - eine Vielzahl flexibler Klingen (51, 52, 53), welche das Trägerelement (2) mit der Unruh (3) verbinden und imstande sind, eine Rückstellkraft auf die Unruh (3) auszuüben,
    - einen Radkranz (4), der mit der Unruh (3) fest verbunden angebracht ist,
    wobei die Vielzahl flexibler Klingen ein Paar, gebildet von einer ersten (51) und von einer zweiten (52) Klinge, aufweist, die in einer ersten Ebene senkrecht zur Ebene des Oszillators (1) angeordnet sind, wobei die erste (51) und zweite (52) Klinge geometrisch identisch sind,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl flexibler Klingen auch eine dritte (53) Klinge aufweist, die in einer zweiten Ebene senkrecht zur Ebene des Oszillators (1) und schneidend mit der ersten Ebene angeordnet ist, wobei die dritte (53) Klinge zwischen der ersten (51) und der zweiten (52) Klinge angeordnet ist und eine doppelte Höhe wie die der ersten (51) oder der zweiten (52) Klinge aufweist,
    und dass die geometrische Oszillationsachse (7) des Oszillators (1) durch den Schnittpunkt der ersten Ebene und der zweiten Ebene bestimmt ist, wobei die geometrische Oszillationsachse (7) die erste (51) und zweite (52) Klinge und die dritte (53) Klinge bei 7/8 ihrer jeweiligen Länge kreuzt.
  3. Rotationsoszillator (1) nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Unruh (3) eine Vielzahl von Aufnahmen (32) umfasst, die jeweils ein Gewichtchen (6) aufnehmen, wobei die Aufnahmen (32) gleichmäßig auf der Unruh (3) verteilt und in gleichem Abstand von der geometrischen Oszillationsachse (7) angeordnet sind.
  4. Rotationsoszillator (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Gewichtchen (6) ein Schwerkraftzentrum aufweist, das in jeder Aufnahme (32) exzentrisch angeordnet ist.
  5. Rotationsoszillator (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Unruh (3) derart strukturiert ist, dass bei jeder Aufnahme (32) ein elastisches Element (33) bestimmt ist, das mindestens zum Teil in der Aufnahme (32) platziert ist.
  6. Rotationsoszillator (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (2), die Unruh (3), die elastischen Elemente (33) inbegriffen, und die flexiblen Klingen (51, 52, 53) monolithisch hergestellt sind.
  7. Rotationsoszillator (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (2), die Unruh (3), die elastischen Elemente (33) inbegriffen, und die flexiblen Klingen (51, 52, 53) aus Silizium hergestellt sind.
  8. Rotationsoszillator (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die flexiblen Klingen (51, 52, 53) mit einer Beschichtung aus SiO2 versehen sind.
  9. Rotationsoszillator (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stärke der Beschichtung aus SiO2 derart bestimmt ist, dass die Temperaturdrift des Elastizitätskoeffizienten des Young-Moduls der flexiblen Klingen (51, 52, 53) mindestens zum Teil ausgeglichen wird.
  10. Rotationsoszillator (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stärke der Beschichtung aus SiO2 derart bestimmt ist, dass die Temperaturdrift der Trägheit der Unruh (3) mindestens zum Teil ausgeglichen wird.
  11. Rotationsoszillator (1) nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Radkranz (4) aus einem Material mit einer höheren Dichte als die Dichte des Materials der Unruh (3) hergestellt ist, wobei der Radkranz (4) mit der Unruh (3) fest verbunden ist und eine zentrale Symmetrie aufweist, deren Zentrum die geometrische Oszillationsachse (7) des Oszillators (1) ist.
  12. Rotationsoszillator (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Oszillator (1) einen kreisförmigen, zur geometrischen Oszillationsachse (7) konzentrischen Umfang aufweist.
  13. Rotationsoszillator (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Radkranz (4) ein segmentierter oder kontinuierlicher Ring ist.
  14. Rotationsoszillator (1) nach den Ansprüchen 3 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Radkranz (4) und die Gewichtchen (6) aus demselben Material höherer Dichte als das Material der Unruh (3) hergestellt sind.
  15. Rotationsoszillator (1) nach den Ansprüchen 7 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Unruh (3) aus Silizium ist und der Radkranz (4) aus Gold, wobei die Unruh (3) und der Radkranz (4) durch Thermokompression verbunden sind.
  16. Mikrosystem (8), das zur Umsetzung in einem Oszillator (1) nach Anspruch 6 geeignet ist, hergestellt aus monolithischem Silizium und umfassend:
    - ein Trägerelement (2), das bestimmt ist, die Verbindung des Oszillators (1) auf einer Uhr zu gestatten,
    - eine Unruh (3),
    - eine Vielzahl flexibler Klingen, welche das Trägerelement (2) mit der Unruh (3) verbinden und imstande sind, eine Rückstellkraft auf die Unruh (3) auszuüben,
    und wobei die Vielzahl flexibler Klingen mindestens zwei flexible Klingen aufweist, von denen eine erste (51) Klinge in einer ersten Ebene senkrecht zur Ebene des Oszillators (1) angeordnet ist und eine zweite (53) Klinge in einer zweiten Ebene senkrecht zur Ebene des Oszillators (1) und schneidend mit der ersten Ebene angeordnet ist, wobei die erste (51) und zweite (53) Klinge geometrisch identisch sind, wobei die geometrische Oszillationsachse (7) des Oszillators (1) durch den Schnittpunkt der ersten Ebene und der zweiten Ebene bestimmt ist, wobei die geometrische Oszillationsachse (7) die erste (51) und zweite (53) Klinge bei 7/8 ihrer jeweiligen Länge kreuzt.
  17. Mikrosystem (8), das zur Umsetzung in einem Oszillator (1) nach Anspruch 6 geeignet ist, hergestellt aus monolithischem Silizium und umfassend:
    - ein Trägerelement (2), das zur Verbindung des Oszillators (1) auf einer Uhr bestimmt ist,
    - eine Unruh (3),
    - eine Vielzahl flexibler Klingen, welche das Trägerelement (2) mit der Unruh (3) verbinden und imstande sind, eine Rückstellkraft auf die Unruh (3) auszuüben,
    und wobei die Vielzahl flexibler Klingen ein Paar, gebildet von einer ersten (51) und von einer zweiten (52) Klinge, aufweist, die in einer ersten Ebene senkrecht zur Ebene des Oszillators (1) angeordnet sind, wobei die erste (51) und zweite Klinge (52) geometrisch identisch sind, wobei die Vielzahl flexibler Klingen auch eine dritte (53) Klinge aufweist, die in einer zweiten Ebene senkrecht zur Ebene des Oszillators (1) und schneidend mit der ersten Ebene angeordnet ist, wobei die dritte (53) Klinge zwischen der ersten (51) und der zweiten (52) Klinge angeordnet ist und eine doppelte Höhe wie die der ersten (51) oder der zweiten (52) Klinge aufweist, und dass die geometrische Oszillationsachse (7) des Oszillators (1) durch den Schnittpunkt der ersten Ebene und der zweiten Ebene bestimmt ist, wobei die geometrische Oszillationsachse (7) die erste (51) und zweite (52) Klinge und die dritte (53) Klinge bei 7/8 ihrer jeweiligen Länge kreuzt.
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