EP4202565A1 - Mise de fréquence d'un oscillateur d'horlogerie par déformations opto-mécaniques - Google Patents

Mise de fréquence d'un oscillateur d'horlogerie par déformations opto-mécaniques Download PDF

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EP4202565A1
EP4202565A1 EP21217879.2A EP21217879A EP4202565A1 EP 4202565 A1 EP4202565 A1 EP 4202565A1 EP 21217879 A EP21217879 A EP 21217879A EP 4202565 A1 EP4202565 A1 EP 4202565A1
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EP
European Patent Office
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actuator
oscillator
inertial mass
laser
watch
Prior art date
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Pending
Application number
EP21217879.2A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Lionel Paratte
Alexandros Mouskeftaras
Ahmad Odeh
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Swatch Group Research and Development SA
Original Assignee
Swatch Group Research and Development SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Swatch Group Research and Development SA filed Critical Swatch Group Research and Development SA
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Priority to US18/056,990 priority patent/US20230205137A1/en
Priority to JP2022199243A priority patent/JP2023097393A/ja
Priority to CN202211681722.9A priority patent/CN116360231A/zh
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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
    • G04B18/00—Mechanisms for setting frequency
    • G04B18/02—Regulator or adjustment devices; Indexing devices, e.g. raquettes
    • 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
    • G04B15/00—Escapements
    • G04B15/14—Component parts or constructional details, e.g. construction of the lever or the escape wheel
    • 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
    • G04B17/06—Oscillators with hairsprings, e.g. balance
    • G04B17/063—Balance construction
    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
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    • G04B18/006—Mechanisms for setting frequency by adjusting the devices fixed on the balance
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    • G04B18/00—Mechanisms for setting frequency
    • G04B18/04—Adjusting the beat of the pendulum, balance, or the like, e.g. putting into beat
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    • G04—HOROLOGY
    • G04C—ELECTROMECHANICAL CLOCKS OR WATCHES
    • G04C3/00—Electromechanical clocks or watches independent of other time-pieces and in which the movement is maintained by electric means
    • G04C3/04—Electromechanical clocks or watches independent of other time-pieces and in which the movement is maintained by electric means wherein movement is regulated by a balance
    • G04C3/06—Electromechanical clocks or watches independent of other time-pieces and in which the movement is maintained by electric means wherein movement is regulated by a balance using electromagnetic coupling between electric power source and balance
    • G04C3/064—Electromechanical clocks or watches independent of other time-pieces and in which the movement is maintained by electric means wherein movement is regulated by a balance using electromagnetic coupling between electric power source and balance the balance controlling indirectly, i.e. without mechanical connection, contacts, e.g. by magnetic or optic means

Definitions

  • the invention relates to a method for fine adjustment of the rate of a mechanical clock oscillator comprising at least one inertial mass arranged to oscillate around an axis of rotation and returned to a rest position by elastic return means. .
  • the invention also relates to a mechanical clock oscillator suitable for implementing this method.
  • the invention also relates to a timepiece, in particular a watch, comprising such a mechanical clock oscillator.
  • the invention relates to the field of adjusting the rate of a mechanical watch oscillator, and in particular of an oscillator already fitted into a watch head.
  • the modification of the frequency of a mechanical oscillator almost always passes by a change of the rigidity of the elastic part, in particular a spring, or by a change of its inertia / of its mass.
  • a change of the rigidity of the elastic part in particular a spring
  • its inertia / of its mass for example, in the balance-springs of mechanical watches, there are currently devices for adjusting the stiffness of the balance-spring, such as the variation of its active length by moving pins.
  • Another commonly used method is the modification of the inertia of the balance by moving small masses towards the outside or the inside of the balance, such as screws, or eccentric rotating weights.
  • the invention proposes to precisely adjust the frequency of a mechanical clock oscillator, for example a watch balance-spring, without having to disassemble the watch, or more generally the timepiece carrying this oscillator.
  • the invention relates to a method for fine adjustment of the rate of a mechanical clock oscillator, according to claim 1.
  • the invention also relates to a mechanical clock oscillator suitable for implementing this method.
  • the invention also relates to a timepiece, in particular a watch, comprising such a mechanical clock oscillator.
  • the invention proposes to induce permanent mechanical tensions, and therefore a volume expansion, in particular by femtosecond laser excitation, in a flexible micro-mechanism machined in a support made of glass (fused silica) or the like.
  • the support is embedded on the inertial mass of the oscillator, in particular the balance wheel, of a mechanical watch.
  • the displacement of part of the mechanism will modify the inertia of this inertial mass, therefore the frequency of the oscillator, in particular of the balance-spring.
  • Displacements of the order of several micrometers can be obtained in such glass microstructures by writing lines of expansion of parallel internal tensions, as can be read in particular in the article “Non-contact sub-nanometer optical repositioning using femtosecond lasers”, by Y. Bellouard, in “Optic Express, 2 November 2015, volume 23, N° 22” .
  • microstructures themselves are produced using a cutting process precise to +/-1 micrometer, and using the same type of laser, followed by chemical attack, as read in the aforementioned article, or in the article “Fabrication of high-aspect ratio, micro-fluidic channels and tunnels using femtosecond laser pulses and chemical etching”, by Y. Bellouard et al., in “Optics Express, 2004, 12, pages 2120-2129 » or on the website of FEMTOprint SA, 6933 Muzzano (CH), on the page https://www.femtoprint.ch/devices-photos.
  • the optical excitation is direct through a glass or any non-absorbent interlocking separation for the wavelength of the laser, or even defocused at the point of passage.
  • the invention is illustrated more particularly, and not limitatively, for the case where the oscillator is a watch oscillator, and is a balance-spring.
  • the invention relates to a method for fine adjustment of the rate of a mechanical clock oscillator 100, comprising at least one inertial mass 1 arranged to oscillate around an axis of rotation D and returned to a rest position by elastic return means.
  • the oscillator 100 is equipped with at least one inertial mass 1 comprising an actuator 35 in a material capable of irreversible local micro-expansion under the action of laser shots.
  • This actuator 35 is arranged to give a flyweight 3 a radial linear stroke with respect to the axis of rotation D, directly or via at least one stroke amplifier 36, when a writing zone 39, or more particularly a first writing zone 391 on a first arm 33, or a second writing zone 392 on a second arm 34, which the actuator 35 comprises is subjected to appropriate laser shots. It will be seen later that each writing area 39, 391, 392 is capable of receiving expansion lines 390 by laser writing.
  • writing area 39 relates to the generic case, and the designations "first writing area 391” and “second writing area 392” relate to the preferred, but not limiting, application on respectively a first arm 33 , and a second arm 34 of the flyweight 3.
  • this inertial mass 1 is equipped with at least one pair of diametrically opposed actuators 35 , in a material capable of irreversible local micro-expansion under the action of laser shots. This is particularly the case when an inertial mass 1 is a balance wheel of a balance-spring type oscillator.
  • an inertial mass 1 is cantilevered with respect to the axis of rotation D, like the inertial masses suspended by flexible blades, which are symmetrical with respect to a plane passing through the axis of rotation D, this inertial mass 1 is equipped with at least one pair of actuators 35 symmetrical with respect to this plane of symmetry.
  • this method is applied to an oscillator 100 with at least two inertial masses 1 each comprising such an actuator 35.
  • a first adjustment, in particular coarse, of the initial rate of the oscillator 100 is carried out in a first rate range and the rate is measured.
  • a third step 803 the direction and the value of the running deviation to be printed on the oscillator 100 are calculated to bring it into a second predetermined running range, and the direction and the value of the stroke are calculated. print to each flyweight 3 that comprises the oscillator 100.
  • a writing area 39, 391, 392 is subjected to femtosecond laser shots to create at least one line of expansion 390 by local molecular expansion of the material to deform the actuator 35 radially by relative to the axis of rotation D.
  • a fifth step 805 the rate of the oscillator 100 is measured, and the third step 803 and the fourth step 804 are repeated if necessary until the rate of the oscillator 100 is in the second predetermined operating range .
  • a femtosecond laser source 700 is used, mounted on a table with crossed movements 710, or with radial travel, so as to increment different series of shots on different radii with respect to the axis of rotation D, to create a series of expansion lines 390 in close proximity to each other.
  • a femtosecond laser source 700 is used to fire in each direction of rotation of the inertial mass 1.
  • control means 790 are used to control the firings of the femtosecond laser source 700, according to the information on the presence or absence of material provided by the combination of a detection laser 750 and a collection means 760 or a photo-detector.
  • an actuator 35 is chosen comprising, on a first arm 33 a first writing zone 391, and on a second arm 34 parallel to the first arm 33 in a radial linear direction L and joining it at a common segment 334 a second writing area 392.
  • the actuator 35 is thus mounted in an "S" between, on the one hand an attachment area 30 fixed to a support 2 mounted on the inertial mass 1 or directly fixed on the inertial mass 1, and on the other hand an exit point or a connection neck 32 for connection with an amplifier mechanism 36.
  • the actuator 35 is arranged to act in two opposite directions along the linear direction L, according to that, during the fourth step 804, the writing by femtosecond laser shots takes place in the first writing zone 391 on the first arm 33 for advance adjustment, or in the second writing zone 392 on the second arm 34 for delay adjustment.
  • an actuator 35 is chosen with an exit point or a connection neck 32 for connection with an amplifier mechanism 36 which is arranged to amplify the output stroke of the actuator 35, to print an amplified stroke on the flyweight 3.
  • this amplifier 36 is of the parallelogram type, and comprises a linkage system with connecting rods 310 arranged between flexible necks 31 forming a linear guide in a radial linear direction L.
  • an actuator 35 is chosen comprising an attachment zone 30 integral with a support 2 mounted on the inertial mass 1. And the support 2 forms a one-piece assembly constituting a flexible micro-mechanism, with the actuator 35, an amplifier 36 and the flyweight 3 connected in series with each other.
  • an actuator 35 comprising an attachment zone 30 fixed to a support 2 mounted on the inertial mass 1 or secured to a support 2 is chosen, and the actuator 35 and/or the support 2 is glass.
  • the inertial mass 1 is chosen in the form of a balance wheel, which comprises at least one pair of flyweights 3 which are identical and diametrically opposed with respect to the axis of rotation D.
  • the oscillator 100 is integrated into a watch head 500 of a watch 1000, which watch head 500 comprises at least one transparent transmissive element 600, which separates the outside and the inside the watch 1000, and allows optical access to at least one laser to at least the inertial mass 1 of the oscillator 100 of the watch.
  • the oscillator 100 is equipped with stop means or a stop-seconds arranged to rest on an inertial mass 1, and the fourth step 804 is carried out in a position blocked from the inertial mass 1.
  • the femtosecond writing laser shots are performed during the oscillation of the inertial mass 1, the angular position and the shots of which are synchronized.
  • the firings are carried out with a femtosecond laser, for example and not limited to a wavelength between 900 and 1100 nm, a pulse duration between 200 and 350 fs, an energy of a pulse approximately between 200 and 300 nJ, with a repetition rate of 700 to 900 kHz.
  • a femtosecond laser for example and not limited to a wavelength between 900 and 1100 nm, a pulse duration between 200 and 350 fs, an energy of a pulse approximately between 200 and 300 nJ, with a repetition rate of 700 to 900 kHz.
  • the invention also relates to a mechanical clock oscillator 100 comprising at least one inertial mass 1 arranged to oscillate around an axis of rotation D and returned to a rest position by elastic return means, suitable for the implementation of this process.
  • at least one inertial mass 1 comprises an actuator 35 in a material capable of irreversible local micro-expansion under the action of laser shots.
  • the actuator 35 is arranged to impart to a counterweight 3 a radial linear stroke with respect to the axis of rotation D, directly or via at least one stroke amplifier 36, when a writing zone 39 , 391, 392, which comprises the actuator 35 is subjected to appropriate laser shots.
  • the actuator 35 comprises, on a first arm 33 a first writing area 391, and on a second arm 34 parallel to the first arm 33 in a radial linear direction L and joining it at a common segment 334 a second writing zone 392, the actuator 35 thus being mounted in an "S" between on the one hand a fixing zone 30 fixed to a support 2 mounted on the inertial mass 1 or directly fixed on the inertial mass 1, and on the other hand, an exit point or a connection neck 32 for connection with an amplifier mechanism 36, the actuator 35 being arranged to act in two opposite directions along the linear direction L, depending on whether femtosecond laser shots are applied in the first writing area 391 on the first arm 33 for advance adjustment, or in the second write area 392 on second arm 34 for delay adjustment.
  • the actuator 35 comprises an exit point or a connection neck 32 for connection with an amplifier mechanism 36 arranged to amplify the output stroke of the actuator 35, to impart an amplified stroke to the flyweight 3.
  • the amplifier 36 is of the parallelogram type, and comprises a linkage system with connecting rods 310 arranged between flexible necks 31 forming a linear guide in a radial linear direction L.
  • the actuator 35 comprises an attachment zone 30 secured to a support 2 mounted on the inertial mass 1, and the support 2 forms a one-piece assembly constituting a flexible micro-mechanism, with the actuator 35, an amplifier 36 and the flyweight 3 mounted in series with each other.
  • the actuator 35 comprises an attachment zone 30 fixed to a support 2 mounted on the inertial mass 1 or secured to a support 2, and the actuator 35 and/or the support 2 is made of glass.
  • the inertial mass 1 is a pendulum, which comprises at least one pair of identical and diametrically opposed weights 3 with respect to the axis of rotation D.
  • the invention also relates to a timepiece, in particular a watch 1000, comprising at least one such mechanical oscillator 100.
  • the watch 1000 comprises a watch head 500 comprising at least one transparent transmissive element 600, which separates the exterior and the interior of the watch 1000, and allows optical access to at least one laser towards at least the inertial mass 1 of the oscillator 100 of the watch.
  • the figures illustrate non-limiting embodiments of the invention, in the particular case where the inertial mass 1 is a pendulum.
  • FIG 1 represents a timepiece 1000, in particular a watch, with a watch head 500, comprising a transparent transmissive element 600, such as a bottom, a crystal, or the like, which separates the outside of the watch and the inside of the watch.
  • This transparent transmissive element 600 allows optical access to the user and to an optical source to all or part of the oscillator 100 of the watch, and, in the case in point, at least the balance wheel 1, the hairspring n' not being shown so as not to overload the figures.
  • This figure 1 represents, in broken lines, an incident laser beam RL and meeting the balance 1.
  • the invention proposes to adjust precisely, and through a casing that is at least locally transparent or of low optical absorption such as this transparent transmissive element 600, the frequency of a balance-spring by means of a laser beam focused.
  • Oscillator 100 is either already roughly adjusted to +/- 15 seconds per day, for example using screws not shown, or precisely paired with a suitable hairspring in this range.
  • the action of the laser allows fine adjustment towards 0-2 seconds per day, by moving small weights towards the outside or the inside of the balance wheel 1, thus modifying its inertia, and therefore modifying the frequency of the oscillator , and thus allowing precise adjustment of the rate of the watch.
  • FIG. 1 There figure 2 shown, in plan view as the figure 1 , the detail of the balance wheel 1 according to the invention.
  • This balance 1 comprises, from its rim 19 towards the transparent transmissive element 600, a plurality of supports 2 arranged in pairs symmetrical with respect to the axis of rotation D of the balance.
  • These supports in particular chips, support, on the side of the transparent transmissive element 600, each at least one flyweight 3 which is radially movable with respect to the axis of rotation D of the balance 1.
  • the picture 2 shows, for each support 2, three different positions of such a flyweight 3, one midline in hatching intermediate between two extreme positions in dashed lines, at a radial distance X from the position intermediate. This limited number of radial positions of the flyweights 3 is only a particular case to leave the figure legible.
  • each support 2 is attached to the balance 1, for convenience of execution; another variant where the supports 2 and the pendulum 1 form a one-piece assembly is possible, although more expensive to produce.
  • FIG. 3 is a section perpendicular to the transparent transmissive element 600, which separates, on the one hand in the upper part of the figure the external environment in which at least one laser source 700 is positioned, and on the other hand in the lower part of the figure inside the watch head which comprises the balance wheel 1.
  • This balance wheel 1 comprises, from its rim 19 towards the transparent transmissive element 600, a plurality of supports 2 arranged in symmetrical pairs with respect to the axis of rotation D of the pendulum. These supports 2 support, on the side of the transparent transmissive element 600, each at least one flyweight 3 which is radially movable with respect to the axis of rotation D of the balance 1, under the action of a beam emitted by the source laser 700.
  • the picture 3 is centered on a flyweight 3 shown in hatching, and shows another radial position of this flyweight 3, shown in dashed lines.
  • the flyweights 3 are thus secured to a support 2, itself fixed to the rim 19 towards the outside of the rocker arm 1 as illustrated.
  • the displacement amplitude depends on several parameters of the laser exposure. This amplitude can be controlled very precisely, and the weights 3 remain in place after an exposure, and it is possible to move the weights 3 in both directions over a fixed number of cycles.
  • the supports 2 In order not to disturb the unbalance, the supports 2 must be grouped in pairs, diametrically opposed, and they must be adjusted simultaneously to the same amplitude.
  • THE figures 2 and 3 illustrate the simplest case with a single pair of supports 2.
  • Another variant consists in arranging an even number 2N of supports 2, N being an integer ranging from 1 to typically 10, and depending above all on the diameter of the pendulum 1 and on the possibility of geometrically implanting these pairs of supports 2. In this configuration with a plurality of supports 2, not only the frequency but also the unbalance can be adjusted.
  • curve C2 relating to flyweights 3 with a mass of 1.6 mg, corresponds to the displacement of +/- 10 micrometers of a glass parallelepiped of 0.30 ⁇ 1.33 ⁇ 1.70 mm 3 , on either side of its zero position.
  • the frequency adjustment obtained here is +/- 11 seconds per day.
  • This range can be easily extended, either by increasing the mass of the flyweights, or by increasing the peak-to-peak travel.
  • a variant consists in particular in embarking, on this glass plate, an additional mass, in metal or any other ad hoc material.
  • the support 2 carries fasteners 30, one of which carries the opto-mechanical actuator 35 itself, which comprises two parallel arms 33 and 34, forming a U because connected at the end by a common segment 334, the first arm 33 extending between a binding 30 and the common segment, and the second arm 34 extending between the common segment 334 and an exit point, here not limited to a connecting neck 32 with an amplifying mechanism 36.
  • the other attachment 30 carries the flyweight 3, connected by the neck 31, acting as a center of rotation.
  • each flyweight 3 is attached to a support 2 at its fixings 30, for ease of execution.
  • this first arm 33 and this second arm 34 are intended to receive laser pulses, and comprise write zones 391, 392 respectively, at the level of which bursts of very brief laser pulses, emitted by the laser source 700, will create, in the thickness of the material, a local modification of its structure by molecular dilation, this dilation being quickly stopped by stopping the pulses, and the deformation therefore remaining a permanent deformation.
  • These core deformations are infinitesimal, and therefore the method consists in locally juxtaposing a large quantity of zones thus expanded, to achieve a cumulative expansion sufficient to move the flyweight 3 sufficiently in a linear direction L.
  • a mechanical amplifier 36 for example a parallelogram type mechanism with four necks as seen on the figure 6 , makes it possible to transform the overall elongation, or the overall retraction, measurable at the exit point of the second arm 34, into a stroke of the counterweight 3 which is sufficient to significantly influence the operation of the oscillator 100.
  • the movement is different, depending on whether the laser pulses attack the first arm 33 or the second arm 34: the figure 7 illustrates the case where the pulses attack the second write area 392 of the second arm 34, the overall movement of the exit point is then in the direction of the arrow B, in a pushing movement of the flyweight 3. While the figure 8 illustrates the case where the pulses attack the first writing area 391 of the first arm 33, the overall movement of the exit point is then in the direction of the arrow A, contrary to the direction of the arrow B, in a retraction movement of the counterweight 3. It is thus possible to move a counterweight 3 radially in one direction or the other.
  • the action of the laser does not cause any cutting, nor even a superficial engraving, the goal is a molecular reordering at the heart of the material, in its thickness.
  • the notion of writing expansion lines is a periphrasis to describe the application of series of impulses according to a network whose projection of the trajectories on the plane of the flyweight is presented as a series of very close parallel expansion lines , or very sharp zig-zag expansion lines, or the like; the aim is in fact to expand the material to the core, and to accumulate in the same linear direction L very close expansions.
  • this material expands following the action of these zones subject to compressive stresses. This state results from a very intense point heating, but brief enough not to liquefy the material. There is just a very slight expansion of the volume, the material remaining solid.
  • This punctual heating is carried out by a burst of very short pulses of a femtosecond laser, for example what is described, but not limited to, by the article already cited “Non-contact sub-nanometer optical repositioning using femtosecond lasers”, by Y.
  • the ray is focused through a lens into a spot of a few micrometers, at a working distance of the order of 6 mm.
  • a three-dimensional scan precise to a few micrometers from these pulses thus makes it possible to define one or more volume zones under stress.
  • a different femtosecond laser can be used provided that it can modify the material in the same way described before.
  • the working distance of the focusing lens can be varied depending on the shaping optics and the focusing of the laser beam.
  • the non-limiting mechanism of figures 5 to 8 presented here because of its great simplicity, comprises an "S" shaped actuator 35 along a radial linear direction L, and arranged to act in two opposite directions along this same direction, depending on whether the writing takes place in the upper zone of the second arm 34 (advance) or lower arm of the first arm 33 (retreat).
  • the amplifier 36 comprises, without limitation, a crank system with connecting rods 310 between flexible necks 31 forming a linear guide in the linear direction L, and makes it possible to amplify the stroke of the actuator by a multiplying factor Km, so that the on-board square table, that is to say the counterweight 3, moves by an amplitude of a few micrometers.
  • a first step consists in writing, according to the same process of core dilation under the action of a laser, volume zones to be removed in a glass plate (molten silica).
  • a second step the plate is subjected to etching, which selectively removes the parts under stress.
  • the machining obtained is also precise to the micrometer, and makes it possible to produce these glass microstructures.
  • THE figures 9 and 10 illustrate the application of the invention to the particular numerical example presented above, with a balance wheel with a diameter of 10.6 mm (external diameter of the rim 19); the diameter 190, here 8.0 mm, corresponds to the diameter of gyration of the centers of mass of the flyweights.
  • the actuator 35 and the amplifier 36 are adapted to limit the flat dimensions of the supports 2 to a square of 2.0 mm side, in particular a glass chip, 0.3 mm thick, which is carrier, on the same single level, of the counterweight 3 and of the support 2 limited to at least one fixing zone 30, for the fixing to the balance 1 and for the suspension of the actuator 35, of the amplifier 36, and of the counterweight 3 .
  • the mass of the rectangular pallet which constitutes the flyweight 3 is equal to 1.6 mg, which corresponds to the walking-displacement relation C2 of the graph of the figure 4 .
  • the distance between the middle of two bending necks 31 delimiting a connecting rod 310 is, in this example, 1.40 mm, and the distance between the middle of the lower bending neck 31 and the connecting neck 32 is 0.14 mm.
  • These passes bending 31 or connection 32 here have a width of 20 micrometers, which is acceptable from the technological point of view.
  • two zones 1 mm long along the linear direction L allow a single advance correction of +9 seconds per day and a delay correction of ⁇ 9 seconds per day.
  • a starting state is considered where, before correction, the rate of the watch is assumed to be known and measured, case closed.
  • a dedicated fitting is used to precisely position the watch head.
  • a microscopic objective and a positioning stage with crossed movements xy then allows the centering of the laser source 700, in particular a femtosecond laser, on the balance wheel 1.
  • the balance wheel is immobilized by a blocking/braking lever, such as a stop-seconds or the like, or an oscillator spatial stop and hold mechanism, and the laser shot is performed on a stationary target, or the pendulum 1 is still oscillating, and the laser shot must then be synchronized with its position angular.
  • a blocking/braking lever such as a stop-seconds or the like, or an oscillator spatial stop and hold mechanism
  • the case where the pendulum is immobilized, and the laser firing carried out on a stationary target, can be solved with semi-automatic positioning for example and not limited to piloting means managing a camera with image recognition software which center on the axis of rotation D of the balance wheel.
  • the method is more complex, but more advantageous because the adjustment is carried out in flight, without the need to stop the balance.
  • the firing can be started with the beginning of the passage of the support 2 through a laser beam of detection 750, as illustrated on the figures 11 and 12 .
  • FIG 11 is a diagrammatic view, in section passing through the axis of rotation D of the balance 1, and showing the rim 19 of this balance, carrying a support 2, the flyweight 3 not being represented, and the laser source 700 for writing for writing on the writing areas 39, 391, 392, as well as, mounted obliquely in the left part of the figure, such a detection laser 750, the ray of which is reflected by the pendulum 1 and the elements it comprises is collected in the right part of the figure by a collection means 760 such as a photo-detector.
  • a detection laser 750 the ray of which is reflected by the pendulum 1 and the elements it comprises is collected in the right part of the figure by a collection means 760 such as a photo-detector.
  • FIG 12 illustrates the detail of the layout according to the figure 11 with a laser writing source 700 and a laser detection source 750, for the case where the pendulum 1 oscillates, and where the laser firing is synchronized with its angular position; the serge 19 of the pendulum 1 carries a chip according to the figure 9 ; the arc shown in dashed line corresponds to the instantaneous position of the laser writing source 700, which shoots perpendicular to the plane of the figure, and which can thus write in the first writing zone 391 of the first arm lower 33 in this case, to create an expansion line 390, that is to say a molecular expansion symbolized by a small arrow in this first writing area 391, the small neighboring arrows corresponding to d' other expansion lines 390, i.e.
  • Chip 2 is attached to pendulum 1 by its base.
  • the optics are composed of a writing laser source 700 to carry out the optical axis writing along the direction z perpendicular to the plane of the balance beam 1, and of a detection laser 750, for example inclined at an angle of 45° with respect to the plane of the pendulum, the axes of the incident and reflected beams of which are included in the xz plane. Their respective spots may be slightly offset in x, but must remain on the same dimension in z.
  • the VPD signal of the photo-detector 760 associated with the detection laser 750 is at the value 1 when its spot is on a solid zone of the chip 2, that is to say successively fixing zone 30 / first lower arm 33 / second upper arm 34/ weight 3, as visible both on the median graph of the figure 13 and on the figure 12 , and the VPD signal is at the value 0 in a slot.
  • this signal can be used to trigger and trigger the writing of the burst by the writing laser source 700, that is between times t2 and t3, and more exactly in a first writing zone 391 for the adjustment of advance on the first arm 33, or in a second writing zone 392 for the delay adjustment on the second arm 34.
  • expansion lines 390 are written in the first advance zone on the first arm 33, which will pull the flyweight 3 towards the axis of rotation D of the balance 1, and cause a march advance by increasing the frequency.
  • the start of the IIE optical intensity bursts is triggered by the positive edge of the VPD signal at the instant TON, and their termination is triggered by the negative edge of the VPD signal at the instant TOFF.
  • the direction of rotation is detected using the VPD signal, the pattern of which is different depending on the direction. This allows the writing laser source 700 to always be turned on in the correct area.
  • Such a chip 2 is suitable for the precise and reliable adjustment of the rate of a balance-spring, with an accuracy of 0.03 seconds per day, and a resolution of 0.09 seconds per day, in a range of typically +/-10 seconds per day.
  • the range amplitude and the resolution can be easily varied by adapting the design.
  • the invention offers the possibility of carrying out an infinitesimal and irreversible expansion, which, in theory, could allow, by a series of shots on the elastic return element of the oscillator, such as spiral spring, flexible blade or similar, to modify its stiffness; however, the creation of these deformed zones harms the homogeneity of the component, and the risk is an alteration of the elastic properties of this elastic return element.
  • the invention is presented here preferentially for action on the inertial element, regardless of whether it is suspended by a spiral spring, or by elastic blades.
  • the adjustment system is compact and does not require any additional complications in the watch 1000, other than the mounting of two or more glass chips 2 on the balance wheel 1.
  • This adjustment can be carried out directly on a complete watch 1000, on condition that the watch head 500 comprises a transparent transmissive element 600, such as a bottom, crystal, or other, which is transparent or non-absorbent for the laser. writing in optical access on the oscillator.
  • the invention naturally relates to a watch 1000 thus equipped.
  • FIG 14 illustrates the peripherals and their links: the piloting means 790, a cross-movement table 710 for operating the writing laser 700, a detection laser 750, the means for collecting the reflected radiation 760, and means 720 for stop and release of oscillator 100.
  • the external part of the adjustment typically occupies the volume of an office, which allows quick and user-friendly adjustment, both in production and in the shop for customer service.
  • the implementation of the invention is all the better if optimization of the absorption of radiation is achieved by the separation of physical protection (box, casing), if a reliable positioning system of the laser spots.

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Abstract

Un aspect de l'invention concerne un procédé d'ajustement fin de la marche d'un oscillateur mécanique (100) à masse inertielle (1) oscillante, que l'on équipe, en première étape (801), d'un actionneur (35) en matériau apte à une micro-expansion locale irréversible sous l'action de tirs laser, pour imprimer à une masselotte (3) une course radiale lors de tirs laser appropriés sur une zone d'écriture (39 ; 391 ; 392) dudit actionneur (35), en deuxième étape (802) on règle et mesure la marche initiale dudit oscillateur (100), en troisième étape (803) on calcule le sens et la valeur de l'écart nécessaire pour atteindre une plage de marche prédéterminée, et de la course à imprimer aux masselottes (3), en quatrième étape (804) on soumet une zone d'écriture (39 ; 391 ;392) à des tirs laser femtoseconde pour créer des lignes d'expansion (390) par dilatation moléculaire locale pour déformer radialement l'actionneur (35), en cinquième étape (805) on mesure la marche et on réitère si nécessaire les troisième étape (803) et quatrième étape (804).

Description

    Domaine technique de l'invention
  • L'invention concerne un procédé d'ajustement fin de la marche d'un oscillateur mécanique d'horlogerie comportant au moins une masse inertielle agencée pour osciller autour d'un axe de rotation et rappelée vers une position de repos par des moyens de rappel élastique.
  • L'invention concerne encore un oscillateur mécanique d'horlogerie convenant à la mise en oeuvre de ce procédé.
  • L'invention concerne encore une pièce d'horlogerie, notamment une montre, comportant un tel oscillateur mécanique d'horlogerie.
  • L'invention concerne le domaine du réglage de marche d'un oscillateur mécanique d'horlogerie, et en particulier d'un oscillateur déjà emboîté dans une tête de montre.
    • Arrière-plan technologique
  • La modification de la fréquence d'un oscillateur mécanique passe presque toujours par un changement de la rigidité de la partie élastique, notamment un ressort, ou par un changement de son inertie / de sa masse. Par exemple, dans les balanciers-spiraux de montres mécaniques, on trouve couramment des dispositifs d'ajustement de la raideur du spiral, comme la variation de sa longueur active par déplacement de goupilles. Une autre méthode couramment utilisée est la modification d'inertie du balancier par déplacement de petites masses vers l'extérieur ou vers l'intérieur du balancier, comme des vis, ou des masselottes tournantes excentrées.
  • Cependant, ces opérations demandent d'ouvrir la montre et de sortir le mouvement, ce qui a tendance à fausser le résultat une fois la boîte refermée, avec une dérive allant parfois jusqu'à 10 secondes par jour, ce qui est fâcheux pour des mouvements devant être réglés de 0 à +2 secondes par jour. De plus, ces mécanismes délicats sont généralement tributaires de jeux mécaniques qui sont autant de sources de dérive, une fois que l'outil de réglage - et la force utilisée pour le réglage - sont retirés.
    • Résumé de l'invention
  • L'invention se proposer d'ajuster précisément la fréquence d'un oscillateur mécanique d'horlogerie, par exemple un balancier-spiral de montre, sans devoir démonter la montre, ou plus généralement la pièce d'horlogerie porteuse de cet oscillateur.
  • A cet effet, l'invention concerne un procédé d'ajustement fin de la marche d'un oscillateur mécanique d'horlogerie, selon la revendication 1.
  • L'invention concerne encore un oscillateur mécanique d'horlogerie convenant à la mise en oeuvre de ce procédé.
  • L'invention concerne encore une pièce d'horlogerie, notamment une montre, comportant un tel oscillateur mécanique d'horlogerie.
    • Brève description des figures
  • Les buts, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et en référence aux dessins annexés, où :
    • la figure 1 représente, de façon schématisée et en vue en plan, une montre, avec une tête de montre comportant un élément transparent transmissif qui sépare l'extérieur de la montre et l'intérieur de la montre. Cet élément transparent transmissif, ici représenté sous la forme d'un fond, permet un accès optique à l'utilisateur et à une source optique vers tout ou partie de l'oscillateur de la montre, qui est ici un balancier-spiral dont seul est représenté le balancier, le spiral n'étant pas représenté pour ne pas surcharger les figures. Cette figure 1 représente, en trait interrompu, un rayon laser incident et rencontrant ce balancier;
    • la figure 2 représente, de façon schématisée et en vue en plan comme la figure 1, le détail du balancier selon l'invention. Ce balancier comporte, depuis sa serge vers l'élément transparent transmissif, une pluralité de supports disposés par paires symétriques par rapport à l'axe de rotation du balancier. Ces supports supportent, du côté de l'élément transparent transmissif, chacune au moins une masselotte qui est mobile radialement par rapport à l'axe de rotation du balancier. La figure montre, pour chaque support, trois positions différentes d'une telle masselotte, l'une médiane en hachures intermédiaire entre deux positions extrêmes en trait interrompu;
    • la figure 3 représente le balancier de la figure 2, en coupe perpendiculaire à l'élément transparent transmissif, lequel sépare, d'une part en partie supérieure de la figure le milieu extérieur dans lequel est positionnée au moins une source laser, et d'autre part en partie inférieure de la figure l'intérieur de la tête de montre qui comporte le balancier. La figure montre la serge portant un support supportant, du côté de l'élément transparent transmissif une telle masselotte qui est mobile radialement par rapport à l'axe de rotation du balancier, sous l'action d'un faisceau émis par la source laser. La figure est centrée sur une masselotte représentée en hachures, et montre une autre position radiale de cette masselotte, représentée en trait interrompu;
    • la figure 4 est un graphe qui indique en ordonnée l'écart de marche en secondes par jour, et en abscisse la valeur du déplacement radial symétrique de deux masselottes, en micromètres, et superpose les résultats obtenus pour quatre valeurs de masse de masselotte, de 1,20 mg à 2,40 mg;
    • la figure 5 représente, de façon schématisée, et en vue en plan, le principe de la mise en œuvre d'un actionneur opto-mécanique pour faire mouvoir une masselotte: le support porte des fixations, dont l'une porte l'actionneur opto-mécanique proprement dit, qui comporte deux bras parallèles, formant un U car reliés en bout par un segment commun, le premier bras s'étendant entre une fixation au support et le segment commun, et le deuxième bras s'étendant entre le segment commun et un point de sortie, ici constitué par un col d'un mécanisme amplificateur destiné à amplifier la course de sortie de l'actionneur opto-mécanique pour procurer une course suffisante à la masselotte;
    • la figure 6 représente, de façon schématisée, et en vue en plan, une autre variante de l'actionneur opto-mécanique de la figure 5, dont la course de sortie selon une direction linéaire est amplifiée par un amplificateur mécanique, ici un mécanisme de type parallélogramme à quatre cols, qui permet de transformer l'allongement global, ou la rétraction globale, mesurable au point de sortie du deuxième bras, en une course de la masselotte qui soit suffisante pour influencer notablement la marche de l'oscillateur;
    • la figure 7 illustre schématiquement le cas où les impulsions attaquent la zone d'écriture du deuxième bras, en haut sur la figure, le mouvement global du point de sortie est alors vers la gauche de la figure, dans un mouvement de poussée de la masselotte;
    • la figure 8 illustre le cas opposé à celui de la figure 7, où les impulsions attaquent la zone d'écriture du premier bras, en bas sur la figure, le mouvement global du point de sortie est alors vers la droite de la figure, dans un mouvement de rétraction de la masselotte;
    • la figure 9 représente, de façon similaire aux figures 5 à 8, une variante où une masselotte et le support correspondant forment un ensemble monobloc constitué par un chip, sur un niveau unique, le support est alors limité à une zone de fixation pour la fixation sur le balancier; cette variante convient en particulier à l'application de l'invention au cas particulier d'un balancier d'un diamètre de 10,6 mm, porteur de chips de 2 x 2 mm intégrant support et masselotte;
    • la figure 10 représente, de façon similaire à la figure 3, une vue en plan du balancier équipé de deux chips selon la figure 9;
    • la figure 11 est une vue schématisée, en coupe passant par l'axe de rotation du balancier, et montrant la serge de ce balancier, portant un support, la masselotte n'étant pas représentée, et la source laser d'écriture émettrice pour l'écriture sur les zones d'écriture, ainsi que, monté obliquement en partie gauche de la figure, un laser de détection, dont le rayon réfléchi par le balancier et les éléments qu'il comporte est recueilli en partie droite de la figure par un moyen de recueil tel qu'un photo-détecteur;
    • la figure 12 représente, de façon schématisée et en plan, un détail de l'agencement selon la figure 11 avec une source d'écriture laser et une source de détection laser, pour le cas où le balancier oscille, et où le tir laser est synchronisé avec sa position angulaire; la figure représente une partie de la serge du balancier, portant un chip selon la figure 9; l'arc représenté en trait interrompu correspond à la position instantanée de la source d'écriture laser, qui tire perpendiculairement au plan de la figure, et qui peut ainsi écrire dans la zone d'écriture du premier bras inférieur dans le cas d'espèce, pour créer une dilatation moléculaire symbolisée par une petite flèche dans cette zone d'écriture, les petites flèches voisines correspondant à des écritures déjà effectuées dans la même zone avec des positionnements différents en x de la source d'écriture, correspondant à des rayons différents par rapport à l'axe de rotation du balancier; en partie inférieure de la figure est visible depuis la gauche vers la droite une source de détection laser, une lentille convergente, le rayonnement incident vers le balancier, le point de réflexion sur le balancier ou sur les organes qu'il porte, le rayonnement réfléchi, une lentille convergente, et le photo-détecteur;
    • la figure 13 juxtapose trois graphes temporels, établis avec en abcisses des échelles de temps différentes, mais qui sont agencés l'un par rapport à l'autre pour mettre en évidence des instants particuliers et les phénomènes qui s'y produisent : le graphe supérieur affiche en ordonnée la vitesse angulaire oméga OME du balancier, le graphe médian affiche en ordonnée la valeur du signal VPD du photo-détecteur, et le graphe inférieur affiche en ordonnée l'intensité optique IIE émise par la source laser d'écriture;
    • la figure 14 est un schéma-blocs montrant les liens entre des moyens de pilotage, une table à mouvements croisés pour la manœuvre du laser d'écriture, ce dernier, un laser de détection, le moyen de recueil du rayonnement réfléchi, et des moyens de mise en mouvement ou d'arrêt de l'oscillateur;
    • la figure 15 est un schéma-blocs regroupant les cinq étapes principales du procédé d'ajustement de marche selon l'invention.
    Description détaillée de l'invention
  • L'invention se propose d'induire des tensions mécaniques permanentes, et donc une expansion volumique, notamment par excitation laser femtoseconde, dans un micro-mécanisme flexible usiné dans un support en verre (silice fondue) ou similaire.
  • Le support est embarqué sur la masse inertielle de l'oscillateur, notamment le balancier, d'une montre mécanique. Le déplacement d'une partie du mécanisme va modifier l'inertie de cette masse inertielle, donc la fréquence de l'oscillateur, notamment du balancier-spiral. Des déplacements de l'ordre de plusieurs micromètres peuvent être obtenus dans de telles microstructures en verre par écriture de lignes d'expansion de tensions internes parallèles, tel que lisible notamment dans l'article « Non-contact sub-nanometer optical repositioning using femtosecond lasers », par Y. Bellouard, dans « Optic Express, 2 novembre 2015, volume 23, N° 22 ».
  • Les microstructures elles-mêmes sont réalisées grâce à un procédé de découpage précis à +/-1 micromètre, et utilisant le même type de laser, suivi d'une attaque chimique, tel que lisible dans l'article précité, ou dans l'article « Fabrication of high-aspect ratio, micro-fluidic channels and tunnels using femtosecond laser pulses and chemical etching », par Y. Bellouard et al., dans « Optics Express, 2004, 12, pages 2120-2129 », ou encore sur le site de FEMTOprint SA, 6933 Muzzano (CH), sur la page https://www.femtoprint.ch/devices-photos.
  • L'absence de pivots ou de tout autre guidage frottant garantit une grande précision de positionnement et une hystérésis nulle. L'excitation optique est directe à travers une glace ou toute séparation d'emboîtage non-absorbante pour la longueur d'onde du laser, ou encore défocalisée à l'endroit du passage.
  • L'invention est illustrée plus particulièrement, et non limitativement, pour le cas où l'oscillateur est un oscillateur de montre, et est un balancier-spiral.
  • L'invention concerne un procédé d'ajustement fin de la marche d'un oscillateur mécanique 100 d'horlogerie, comportant au moins une masse inertielle 1 agencée pour osciller autour d'un axe de rotation D et rappelée vers une position de repos par des moyens de rappel élastique.
  • Selon l'invention, et tel que visible sur la figure 15, dans une première étape 801, on équipe l'oscillateur 100 avec au moins une masse inertielle 1 comportant un actionneur 35 dans un matériau apte à une micro-expansion locale irréversible sous l'action de tirs laser. Cet actionneur 35 est agencé pour imprimer à une masselotte 3 une course linéaire radiale par rapport à l'axe de rotation D, directement ou par l'intermédiaire d'au moins un amplificateur de course 36, lorsqu'une zone d'écriture 39, ou plus particulièrement une première zone d'écriture 391 sur un premier bras 33, ou une deuxième zone d'écriture 392 sur un deuxième bras 34, que comporte l'actionneur 35 est soumise à des tirs laser appropriés. On verra plus loin que chaque zone d'écriture 39, 391, 392, est apte à recevoir par écriture laser des lignes d'expansion 390.
  • La dénomination « zone d'écriture 39 » concerne le cas générique, et les appellations « première zone d'écriture 391 » et « deuxième zone d'écriture 392 » concernent l'application préférée, mais non limitative, sur respectivement un premier bras 33, et un deuxième bras 34 de la masselotte 3.
  • Plus particulièrement, quand une masse inertielle 1, soumise à un mouvement de rotation, s'étend de part et d'autre de l'axe de rotation D, on équipe cette masse inertielle 1 avec au moins une paire d'actionneurs 35 diamétralement opposés, dans un matériau apte à une micro-expansion locale irréversible sous l'action de tirs laser. C'est notamment le cas quand une masse inertielle 1 est un balancier d'un oscillateur de type balancier-spiral.
  • Plus particulièrement, quand une masse inertielle 1, est en porte-à-faux par rapport à l'axe de rotation D, comme les masses inertielles suspendues par lames flexibles, qui sont symétriques par rapport à un plan passant par l'axe de rotation D, on équipe cette masse inertielle 1 avec au moins une paire d'actionneurs 35 symétriques par rapport à ce plan de symétrie.
  • Plus particulièrement, on applique ce procédé à un oscillateur 100 avec au moins deux masses inertielles 1 comportant chacune un tel actionneur 35.
  • Dans une deuxième étape 802, on effectue un premier réglage, notamment grossier, de la marche initiale de l'oscillateur 100 dans une première plage de marche et on mesure la marche.
  • Dans une troisième étape 803, on calcule le sens et la valeur de l'écart de marche à imprimer à l'oscillateur 100 pour l'amener dans une deuxième plage de marche prédéterminée, et on calcule le sens et la valeur de la course à imprimer à chaque masselotte 3 que comporte l'oscillateur 100.
  • Dans une quatrième étape 804, on soumet au moins une zone d'écriture 39, 391, 392, à des tirs laser femtoseconde pour créer au moins une ligne d'expansion 390 par dilatation moléculaire locale du matériau pour déformer l'actionneur 35 radialement par rapport à l'axe de rotation D.
  • Dans une cinquième étape 805, on mesure la marche de l'oscillateur 100, et on réitère si nécessaire la troisième étape 803 et la quatrième étape 804 jusqu'à ce que la marche de l'oscillateur 100 soit dans la deuxième plage de marche prédéterminée.
  • Plus particulièrement, lors de la quatrième étape 804 on utilise une source laser femtoseconde 700, montée sur une table à mouvements croisés 710, ou à course radiale, de façon à incrémenter différentes séries de tirs sur des rayons différents par rapport à l'axe de rotation D, pour créer une série de lignes d'expansion 390 au voisinage immédiat les unes des autres.
  • Plus particulièrement, lors de la quatrième étape 804, on utilise une source laser femtoseconde 700 pour effectuer des tirs dans chaque sens de rotation de la masse inertielle 1.
  • Plus particulièrement, lors de la quatrième étape 804, on utilise des moyens de pilotage 790 pour piloter les tirs de la source laser femtoseconde 700, selon les informations de présence ou d'absence de matériau fournies par la combinaison d'un laser de détection 750 et un moyen de recueil 760 ou un photo-détecteur.
  • Plus particulièrement, lors de la première étape 801, on choisit un actionneur 35 comportant, sur un premier bras 33 une première zone d'écriture 391, et sur un deuxième bras 34 parallèle au premier bras 33 selon une direction linéaire L radiale et le joignant au niveau d'un segment commun 334 une deuxième zone d'écriture 392. L'actionneur 35 est ainsi monté en « S » entre, d'une part une zone de fixation 30 fixée à un support 2 monté sur la masse inertielle 1 ou directement fixée sur la masse inertielle 1, et d'autre part un point de sortie ou un col de liaison 32 de liaison avec un mécanisme amplificateur 36. L'actionneur 35 est agencé pour agir dans deux sens opposés selon la direction linéaire L, selon que, lors de la quatrième étape 804, l'écriture par tirs laser femtoseconde a lieu dans la première zone d'écriture 391 sur le premier bras 33 pour un réglage d'avance, ou dans la deuxième zone d'écriture 392 sur le deuxième bras 34 pour un réglage de retard.
  • Plus particulièrement, lors de la première étape 801, on choisit un actionneur 35 avec un point de sortie ou un col de liaison 32 de liaison avec un mécanisme amplificateur 36 lequel est agencé pour amplifier la course de sortie de l'actionneur 35, pour imprimer une course amplifiée à la masselotte 3.
  • Plus particulièrement, cet amplificateur 36 est de type parallélogramme, et comporte un système d'embiellage avec des bielles 310 agencées entre des cols flexibles 31 formant un guidage linéaire selon une direction linéaire L radiale.
  • Plus particulièrement, lors de la première étape 801, on choisit un actionneur 35 comportant une zone de fixation 30 solidaire d'un support 2 monté sur la masse inertielle 1. Et le support 2 forme un ensemble monobloc constituant un micro-mécanisme flexible, avec l'actionneur 35, un amplificateur 36 et la masselotte 3 montés en série les uns avec les autres.
  • Plus particulièrement, lors de la première étape 801, on choisit un actionneur 35 comportant une zone de fixation 30 fixée à un support 2 monté sur la masse inertielle 1 ou solidaire d'un support 2, et l'actionneur 35 et/ou le support 2 est en verre.
  • Plus particulièrement, lors de la première étape 801, on choisit la masse inertielle 1 sous la forme d'un balancier, qui comporte au moins une paire de masselottes 3 identiques et diamétralement opposées par rapport à l'axe de rotation D.
  • Plus particulièrement, lors de la première étape 801, on intègre l'oscillateur 100 dans une tête de montre 500 d'une montre 1000, laquelle tête de montre 500 comporte au moins un élément transparent transmissif 600, qui sépare l'extérieur et l'intérieur de la montre 1000, et permet un accès optique à au moins un laser vers au moins la masse inertielle 1 de l'oscillateur 100 de la montre.
  • Dans une variante statique, lors de la première étape 801, on équipe l'oscillateur 100 de moyens d'arrêt ou d'un stop-secondes agencé pour prendre appui sur une masse inertielle 1, et on effectue la quatrième étape 804 dans une position bloquée de la masse inertielle 1.
  • Dans une variante dynamique, lors de la quatrième étape 804 on effectue les tirs laser femtoseconde d'écriture pendant l'oscillation de la masse inertielle 1, dont on synchronise la position angulaire et les tirs.
  • Plus particulièrement, lors de la quatrième étape 804 on effectue les tirs avec un laser femtoseconde, par exemple et non limitativement de longueur d'onde entre 900 et 1100 nm, de durée d'impulsion entre 200 et 350 fs, d'énergie d'une impulsion environ entre 200 et 300 nJ, de taux de répétition de 700 à 900 kHz. Il est bien évident qu'un laser femtoseconde différent (longueur d'onde, durée d'impulsion et énergie) peut être utilisé, à condition qu'il puisse modifier la matière de la même façon décrite avant.
  • L'invention concerne encore un oscillateur mécanique 100 d'horlogerie comportant au moins une masse inertielle 1 agencée pour osciller autour d'un axe de rotation D et rappelée vers une position de repos par des moyens de rappel élastique, convenant à la mise en œuvre de ce procédé. Selon l'invention, au moins une masse inertielle 1 comporte un actionneur 35 dans un matériau apte à une micro-expansion locale irréversible sous l'action de tirs laser. L'actionneur 35 est agencé pour imprimer à une masselotte 3 une course linéaire radiale par rapport à l'axe de rotation D, directement ou par l'intermédiaire d'au moins un amplificateur de course 36, lorsqu'une zone d'écriture 39, 391, 392, que comporte l'actionneur 35 est soumise à des tirs laser appropriés.
  • Plus particulièrement, l'actionneur 35 comporte, sur un premier bras 33 une première zone d'écriture 391, et sur un deuxième bras 34 parallèle au premier bras 33 selon une direction linéaire L radiale et le joignant au niveau d'un segment commun 334 une deuxième zone d'écriture 392, l'actionneur 35 étant ainsi monté en « S » entre d'une part une zone de fixation 30 fixée à un support 2 monté sur la masse inertielle 1 ou directement fixée sur la masse inertielle 1, et d'autre part un point de sortie ou un col de liaison 32 de liaison avec un mécanisme amplificateur 36, l'actionneur 35 étant agencé pour agir dans deux sens opposés selon la direction linéaire L, selon que des tirs laser femtoseconde sont appliqués dans la première zone d'écriture 391 sur le premier bras 33 pour un réglage d'avance, ou dans la deuxième zone d'écriture 392 sur le deuxième bras 34 pour un réglage de retard.
  • Plus particulièrement, l'actionneur 35 comporte un point de sortie ou un col de liaison 32 de liaison avec un mécanisme amplificateur 36 agencé pour amplifier la course de sortie de l'actionneur 35, pour imprimer une course amplifiée à la masselotte 3. Et l'amplificateur 36 est de type parallélogramme, et comporte un système d'embiellage avec des bielles 310 agencées entre des cols flexibles 31 formant un guidage linéaire selon une direction linéaire L radiale.
  • Plus particulièrement, l'actionneur 35 comporte une zone de fixation 30 solidaire d'un support 2 monté sur la masse inertielle 1, et le support 2 forme un ensemble monobloc constituant un micro-mécanisme flexible, avec l'actionneur 35, un amplificateur 36 et la masselotte 3 montés en série les uns avec les autres.
  • Plus particulièrement, l'actionneur 35 comporte une zone de fixation 30 fixée à un support 2 monté sur la masse inertielle 1 ou solidaire d'un support 2, et l'actionneur 35 et/ou le support 2 est en verre.
  • Plus particulièrement, la masse inertielle 1 est un balancier, qui comporte au moins une paire de masselottes 3 identiques et diamétralement opposées par rapport à l'axe de rotation D.
  • L'invention concerne encore une pièce d'horlogerie, notamment une montre 1000, comportant au moins un tel oscillateur mécanique 100. Selon l'invention, la montre 1000 comporte une tête de montre 500 comportant au moins un élément transparent transmissif 600, qui sépare l'extérieur et l'intérieur de la montre 1000, et permet un accès optique à au moins un laser vers au moins la masse inertielle 1 de l'oscillateur 100 de la montre.
  • Les figures illustrent des réalisations non limitatives de l'invention, dans le cas particulier où la masse inertielle 1 est un balancier.
  • La figure 1 représente une pièce d'horlogerie 1000, notamment une montre, avec une tête de montre 500, comportant un élément transparent transmissif 600, tel qu'un fond, une glace, ou autre, qui sépare l'extérieur de la montre et l'intérieur de la montre. Cet élément transparent transmissif 600 permet un accès optique à l'utilisateur et à une source optique vers tout ou partie de l'oscillateur 100 de la montre, et, dans le cas d'espèce, au moins le balancier 1, le spiral n'étant pas représenté pour ne pas surcharger les figures. Cette figure 1 représente, en trait interrompu, un rayon laser RL incident et rencontrant le balancier 1.
  • L'invention se propose d'ajuster précisément, et au travers d'un emboîtage au moins localement transparent ou d'absorption optique faible tel que cet élément transparent transmissif 600, la fréquence d'un balancier-spiral au moyen d'un rayon laser focalisé. L'oscillateur 100 est, soit déjà réglé grossièrement à +/- 15 secondes par jour, par exemple à l'aide de vis non représentées, soit précisément appairé à un spiral adéquat dans cette plage. L'action du laser permet le réglage fin vers 0-2 secondes par jour, par le déplacement de petites masselottes vers l'extérieur ou vers l'intérieur du balancier 1, modifiant ainsi son inertie, et modifiant donc la fréquence de l'oscillateur, et permettant ainsi l'ajustement précis de la marche de la montre.
  • La figure 2 montre, en vue en plan comme la figure 1, le détail du balancier 1 selon l'invention. Ce balancier 1 comporte, depuis sa serge 19 vers l'élément transparent transmissif 600, une pluralité de supports 2 disposés par paires symétriques par rapport à l'axe de rotation D du balancier. Ces supports 2, notamment des chips, supportent, du côté de l'élément transparent transmissif 600, chacun au moins une masselotte 3 qui est mobile radialement par rapport à l'axe de rotation D du balancier 1. La figure 2 montre, pour chaque support 2, trois positions différentes d'une telle masselotte 3, l'une médiane en hachures intermédiaire entre deux positions extrêmes en trait interrompu, à une distance radiale X de la position intermédiaire. Ce nombre limité de positions radiales des masselottes 3 n'est qu'un cas particulier pour laisser la figure lisible.
  • Les figures illustrent des variantes particulières où chaque support 2 est rapporté sur le balancier 1, pour une commodité d'exécution; une autre variante où les supports 2 et le balancier 1 forment un ensemble monobloc est possible, quoique plus coûteuse à produire.
  • La figure 3 est une coupe perpendiculaire à l'élément transparent transmissif 600, lequel sépare, d'une part en partie supérieure de la figure le milieu extérieur dans lequel est positionnée au moins une source laser 700, et d'autre part en partie inférieure de la figure l'intérieur de la tête de montre qui comporte le balancier 1. Ce balancier 1 comporte, depuis sa serge 19 vers l'élément transparent transmissif 600, une pluralité de supports 2 disposées par paires symétriques par rapport à l'axe de rotation D du balancier. Ces supports 2 supportent, du côté de l'élément transparent transmissif 600, chacune au moins une masselotte 3 qui est mobile radialement par rapport à l'axe de rotation D du balancier 1, sous l'action d'un faisceau émis par la source laser 700. La figure 3 est centrée sur une masselotte 3 représentée en hachures, et montre une autre position radiale de cette masselotte 3, représentée en trait interrompu. Les masselottes 3 sont ainsi solidaires d'un support 2, lui-même fixé sur la serge 19 vers l'extérieur du balancier 1 comme illustré.
  • L'amplitude de déplacement dépend de plusieurs paramètres de l'exposition laser. Cette amplitude peut être contrôlée très précisément, et les masselottes 3 restent en place après une exposition, et il est possible de mouvoir les masselottes 3 dans les deux sens sur un nombre fixé de cycles. Pour ne pas perturber le balourd, il faut grouper les supports 2 par paire, diamétralement opposés, et il faut les régler simultanément sur la même amplitude. Les figures 2 et 3 illustrent le cas le plus simple avec une paire unique de supports 2. Une autre variante consiste à disposer un nombre pair 2N de supports 2, N étant un nombre entier allant de 1 à typiquement 10, et dépendant surtout du diamètre du balancier 1 et de la possibilité d'implanter géométriquement ces paires de supports 2. Dans cette configuration avec une pluralité de supports 2, non seulement la fréquence mais aussi le balourd peut être réglé.
  • Pour le cas particulier simple de deux supports 2 diamétralement opposés, illustré par les figures, la relation entre l'écart de marche (écart par rapport à la fréquence idéale) de l'oscillateur 100, en secondes par jour, et le déplacement radial X de deux masselottes 3, en mètres, est donnée par l'équation suivante:
    • écart de marche ΔM = 86400 * x *(2R+x) / (R2 + Io/2m),
    • avec R la valeur en mètres du rayon neutre de giration de la masselotte 3, Io l'inertie de base du balancier sans masselottes, en kg*m2, et m la masse d'une masselotte en kg.
  • La figure 4 illustre l'application numérique de l'équation précédente à un balancier classique de montre mécanique, avec les caractéristiques suivantes :
    • rayon extérieur du balancier = 5.3 mm;
    • giration à R = 4 mm;
    • inertie du balancier sans masselottes: 2e-9 kg*m2;
    • masse d'une masselotte: 1.2 ≤ m ≤ 2.4 mg;
    • plage visée +/- 15 secondes par jour.
  • Le graphe de la figure 4 indique en ordonnée l'écart de marche ΔM en secondes par jour, et en abscisse la valeur du déplacement radial symétrique de deux masselottes, en micromètres, et superpose les résultats obtenus pour quatre valeurs de masse de masselotte:
    • courbe C1 pour m= 1,20 mg;
    • courbe C2 pour m= 1,60 mg;
    • courbe C3 pour m= 2,00 mg.
    • courbe C4 pour m= 2,40 mg.
  • Par exemple, la courbe C2, relative à des masselottes 3 de masse de 1.6 mg, correspond au déplacement de +/- 10 micromètres d'un parallélépipède de verre de 0.30 x 1.33 x 1.70 mm3, de part et d'autre de sa position zéro. L'ajustement de fréquence obtenu est ici de +/- 11 secondes par jour. Cette plage peut être facilement étendue, soit par augmentation de la masse des masselottes, ou par augmentation de la course pic-pic. Une variante consiste notamment à embarquer, sur cette plaque de verre, une masse additionnelle, en métal ou tout autre matériau ad hoc.
  • Le choix de l'actionneur opto-mécanique est essentiel pour l'obtention d'un résultat reproductible et précis. La publication déjà mentionnée « Non-contact sub-nanometer optical repositioning using femtosecond lasers », par Y. Bellouard, dans « Optic Express, 2 novembre 2015, volume 23, N° 22 » décrit un dispositif de positionnement ultra précis, capable de servir à l'alignement d'axes de fibres optiques, ce qui requiert un positionnement à quelques nanomètres près. Il s'agit d'un démonstrateur réalisé dans un wafer de verre, d'une épaisseur d'environ 500 micromètres, couramment utilisé en packaging et dans des applications de micro-fluidique.
  • La figure 5 en expose, de façon schématisée, le principe : le support 2 porte des fixations 30, dont l'une porte l'actionneur opto-mécanique 35 proprement dit, qui comporte deux bras 33 et 34 parallèles, formant un U car reliés en bout par un segment commun 334, le premier bras 33 s'étendant entre une fixation 30 et le segment commun, et le deuxième bras 34 s'étendant entre le segment commun 334 et un point de sortie, ici non limitativement constitué par un col de liaison 32 avec un mécanisme amplificateur 36. L'autre fixation 30 porte la masselotte 3, reliée par le col 31, faisant office de centre de rotation.
  • Les figures 2, 3, et 5 illustrent des variantes particulières où chaque masselotte 3 est rapportée sur un support 2 au niveau de ses fixations 30, pour une commodité d'exécution.
  • Une autre variante, visible sur les figures 6 et 9 à 12, où la masselotte 3 et le support 2 correspondant forment un ensemble monobloc, notamment un chip, ce qui permet de réaliser la masselotte 3 et le support 2 sur le même niveau, le support 2 est alors limité à une zone de fixation 30 pour la fixation sur le balancier 1.
  • De la même façon il est, encore, imaginable que les masselottes 3, les supports 2, et le balancier 1, forment un ensemble monobloc, quoique cette variante soit encore plus coûteuse à produire.
  • Selon l'invention ce premier bras 33 et ce deuxième bras 34 sont destinés à recevoir des impulsions laser, et comportent des zones d'écriture respectivement 391, 392, au niveau desquelles des salves d'impulsions laser très brèves, émises par la source laser 700, vont créer, dans l'épaisseur du matériau, une modification locale de sa structure par dilatation moléculaire, cette dilatation étant rapidement stoppée par l'arrêt des impulsions, et la déformation restant de ce fait une déformation permanente. Ces déformations à cœur sont infinitésimales, et de ce fait le procédé consiste à juxtaposer localement une grande quantité de zones ainsi dilatées, pour atteindre une dilatation cumulée suffisante pour mouvoir suffisamment la masselotte 3 selon une direction linéaire L. Avantageusement un amplificateur mécanique 36, par exemple un mécanisme de type parallélogramme à quatre cols tels que visible sur la figure 6, permet de transformer l'allongement global, ou la rétraction globale, mesurable au point de sortie du deuxième bras 34, en une course de la masselotte 3 qui soit suffisante pour influencer notablement la marche de l'oscillateur 100.
  • On comprend que le mouvement est différent, selon que les impulsions laser attaquent le premier bras 33 ou le deuxième bras 34: la figure 7 illustre le cas où les impulsions attaquent la deuxième zone d'écriture 392 du deuxième bras 34, le mouvement global du point de sortie est alors dans le sens de la flèche B, dans un mouvement de poussée de la masselotte 3. Tandis que la figure 8 illustre le cas où les impulsions attaquent la première zone d'écriture 391 du premier bras 33, le mouvement global du point de sortie est alors dans le sens de la flèche A, contraire du sens de la flèche B, dans un mouvement de rétraction de la masselotte 3. Il est ainsi possible de déplacer radialement une masselotte 3 dans un sens ou dans l'autre.
  • L'action du laser ne provoque pas de découpe, ni même une gravure superficielle, le but est un réordonnancement moléculaire au cœur du matériau, dans son épaisseur. La notion d'écriture de lignes d'expansion est une périphrase pour décrire l'application de séries d'impulsions selon un réseau dont la projection des trajectoires sur le plan de la masselotte se présente comme une série de lignes d'expansion parallèles très rapprochées, ou de lignes d'expansion en zig-zag très pointus, ou autre; le but est en effet de dilater la matière à cœur, et de cumuler selon la même direction linéaire L des dilatations très rapprochées.
  • En écrivant des lignes d'expansion dans le volume du matériau au niveau des zones d'écriture 39, notamment première zone d'écriture 391, deuxième zone d'écriture 392, ce matériau se dilate suite à l'action de ces zones sujettes à des contraintes compressives. Cet état résulte d'un chauffage ponctuel très intense, mais suffisamment bref pour ne pas liquéfier la matière. Il y a juste une très faible dilatation du volume, la matière restant solide. Ce chauffage ponctuel est réalisé par une salve d'impulsions très brèves d'un laser femtoseconde, par exemple ce qui est décrit, mais non limité à, par l'article déjà cité « Non-contact sub-nanometer optical repositioning using femtosecond lasers », par Y. Bellouard, dans « Optic Express, 2 novembre 2015, volume 23, N° 22 » (Yb-fiber amplified laser, de Amplitude systèmes SA, longueur d'onde =1030 nm, durée d'impulsion 270 fs, énergie d'une impulsion environ 250 nJ, taux de répétition 800 kHz) . Le rayon est focalisé à travers une lentille en un spot de quelques micromètres, à une distance de travail de l'ordre de 6 mm. Un scan tridimensionnel précis à quelques micromètres de ces impulsions permet ainsi de définir une ou plusieurs zones volumiques sous contrainte. Il est bien évident qu'un laser femtoseconde différent (longueur d'onde, durée d'impulsion, énergie et taux de répétition) peut être utilisé à condition qu'il puisse modifier la matière de la même façon décrite avant. La distance de travail de la lentille de focalisation peut être variée selon l'optique de mise en forme et de la focalisation du faisceau laser.
  • Le mécanisme non limitatif des figures 5 à 8 présenté ici en raison de sa grande simplicité, comporte un actionneur 35 en « S » selon une direction linéaire L radiale, et agencé pour agir dans deux sens opposés selon cette même direction, selon que l'écriture a lieu dans la zone supérieure du deuxième bras 34 (avance) ou inférieure du premier bras 33 (retrait). L'amplificateur 36 comporte non limitativement un système d'embiellage avec des bielles 310 entre des cols flexibles 31 formant un guidage linéaire selon la direction linéaire L, et permet d'amplifier la course de l'actionneur d'un facteur multiplicateur Km, de sorte que la table carrée embarquée, c'est-à-dire la masselotte 3, se déplace d'une amplitude de quelques micromètres.
  • Selon les informations de l'article déjà mentionné ci-dessus (Y. Bellouard, 2015), pour des blocs de 200 plans parallèles écrits dans un volume de longueur globale d'environ 1 mm selon la direction linéaire L, on obtient, avec les paramètres laser ci-dessus et selon les figures: un facteur multiplicateur Km de 6, une course amplifiée de la masselotte 3 d'environ 5 micromètres, pour 200 lignes d'expansion écrites sur une longueur de 1 mm; le déplacement propre au niveau de l'actionneur 35, selon la direction linéaire L, vaut donc, par ligne écrite : 5 / (200 * 6) = 4.167 nm / ligne (ou plan).
  • La même technique est utilisable pour découper la microstructure elle-même, selon les articles cités plus haut. Une première étape consiste à écrire, selon le même procédé de dilatation à cœur sous l'action d'un laser, des zones volumiques à enlever dans une plaque de verre (silice fondue). Dans une deuxième étape, la plaque est soumise à une attaque chimique, qui enlève sélectivement les parties sous contrainte. L'usinage obtenu est également précis au micromètre, et permet de réaliser ces microstructures en verre.
  • Les figures 9 et 10 illustrent l'application de l'invention à l'exemple numérique particulier présenté plus haut, avec un balancier d'un diamètre de 10,6 mm (diamètre extérieur de la serge 19); le diamètre 190, ici de 8,0 mm, correspond au diamètre de giration des centres de masse des masselottes. L'actionneur 35 et l'amplificateur 36 sont adaptés pour limiter les dimensions planes des supports 2 à un carré de 2,0 mm de côté, notamment un chip en verre, d'épaisseur de 0,3 mm, qui est porteur, sur un même niveau unique, de la masselotte 3 et du support 2 limité à au moins une zone de fixation 30, pour la fixation au balancier 1 et pour la suspension de l'actionneur 35, de l'amplificateur 36, et de la masselotte 3.
  • Le mécanisme schématisé sur les figures 5 à 8 est ainsi modifié pour des raisons de compacité et d'adaptation aux dimensions typiques d'un balancier-spiral. Nous faisons l'hypothèse que les mêmes contraintes sigma, appliquées à une poutre d'actionneur de section plus faible, donnent lieu au même déplacement linéaire de 4.167 nm / ligne, en vertu de la loi de Hooke: dl/l = E*sigma, avec dl = accroissement de longueur, l = longueur de la zone, E = module de Young du matériau. Pour obtenir la même amplitude que l'actionneur précédent, la longueur d'écriture des 200 lignes d'expansion doit donc être identique et égale à 1 mm selon la direction linéaire L.
  • Comme illustré en figure 9, pour un support 2 en verre d'épaisseur 0,3 mm, la masse de la palette rectangulaire qui constitue la masselotte 3 vaut 1.6 mg, ce qui correspond à la relation marche - déplacement C2 du graphe de la figure 4.
  • La distance entre le milieu de deux cols de flexion 31 délimitant une bielle 310 est, sur cet exemple, de 1,40 mm, et la distance entre le milieu du col de flexion 31 inférieur et le col de liaison 32 est de 0,14 mm. Ces cols de flexion 31 ou de liaison 32 ont ici une largeur de 20 micromètres, ce qui est acceptable du point de vue technologique. Le facteur multiplicateur Km entre la course de l'actionneur, et celle de la masse vaut, en vertu du rapport des bras de leviers: Km = 1.400 mm / 0.140 mm = 10
  • L'amplitude linéaire maximale de la structure vaut: +/- x = Km * 200 lignes d'expansion * 4.167 nm/ligne = 2000*4.167 nm = +/-8.33 micromètres, ce qui correspond, via le graphe C2, à environ +/- Δmarche = +/- 9 secondes par jour.
  • La résolution du réglage par ligne écrite et en considérant 200 lignes d'expansion pour chacune des deux plages de 9 secondes par jour vaut donc d_marche (1 ligne) = 9/200 = 0.045 secondes par jour et par ligne, ce qui est largement suffisant pour ajuster une marche dans une plage de 0 - 2 secondes par jour.
  • On note que deux zones de 1 mm de long selon la direction linéaire L permettent une seule correction d'avance de +9 secondes par jour et une correction de retard de -9 secondes par jour. Pour disposer de plusieurs cycles d'écriture, on peut, soit augmenter le nombre de supports 2, soit augmenter la masse, ce qui a pour effet de devoir écrire moins de lignes d'expansion pour le même déplacement, et donc de réserver de la place sur le premier bras 33 et sur le deuxième bras 34 pour des écritures ultérieures.
  • En ce qui concerne la mise en œuvre de l'ajustement de la marche, on considère un état de départ où, avant correction, la marche de la montre est supposée connue et mesurée, boîte fermée. Pour effectuer la correction, un posage dédicacé est utilisé pour positionner précisément la tête de montre. Un objectif microscopique et un étage de positionnement à mouvements croisés xy permet ensuite le centrage de la source laser 700, notamment un laser femtosecondes, sur le balancier 1.
  • A partir de ce stade, deux options se présentent: ou bien le balancier est immobilisé par un levier de blocage/freinage, tel qu'un stop-secondes ou similaire, ou d'un mécanisme d'arrêt et de maintien spatial de l'oscillateur, et le tir laser est effectué sur une cible immobile, ou bien le balancier 1 oscille toujours, et le tir laser doit alors être synchronisé avec sa position angulaire.
  • Le cas où le balancier est immobilisé, et le tir laser effectué sur une cible immobile, peut être résolu avec un positionnement semi-automatique par exemple et non limitativement avec des moyens de pilotage gérant une caméra avec un logiciel de reconnaissance d'image qui se centre sur l'axe de rotation D du balancier.
  • Dans le cas où le balancier 1 oscille, et où le tir laser est synchronisé avec sa position angulaire, le procédé est plus complexe, mais plus avantageux car le réglage s'effectue en vol, sans besoin d'arrêter le balancier. Le tir peut être démarré avec le début du passage du support 2 à travers un rayon laser de détection 750, comme illustré sur les figures 11 et 12.
  • La figure 11 est une vue schématisée, en coupe passant par l'axe de rotation D du balancier 1, et montrant la serge 19 de ce balancier, portant un support 2, la masselotte 3 n'étant pas représentée, et la source laser 700 d'écriture pour l'écriture sur les zones d'écriture 39, 391, 392, ainsi que, monté obliquement en partie gauche de la figure, un tel laser de détection 750, dont le rayon réfléchi par le balancier 1 et les éléments qu'il comporte est recueilli en partie droite de la figure par un moyen de recueil 760 tel qu'un photo-détecteur.
  • La figure 12 illustre le détail de l'agencement selon la figure 11 avec une source d'écriture laser 700 et une source de détection laser 750, pour le cas où le balancier 1 oscille, et où le tir laser est synchronisé avec sa position angulaire; la serge 19 du balancier 1 porte un chip selon la figure 9; l'arc représenté en trait interrompu correspond à la position instantanée de la source d'écriture laser 700, qui tire perpendiculairement au plan de la figure, et qui peut ainsi écrire dans la première zone d'écriture 391 du premier bras inférieur 33 dans le cas d'espèce, pour créer une ligne d'expansion 390, c'est -à-dire une dilatation moléculaire symbolisée par une petite flèche dans cette première zone d'écriture 391, les petites flèches voisines correspondant à d'autres lignes d'expansion 390, c'est-à-dire des écritures déjà effectuées dans la même zone avec des positionnements différents en x de la source d'écriture 700, correspondant à des rayons différents par rapport à l'axe de rotation D du balancier 1. En partie inférieure de la figure est visible depuis la gauche vers la droite une source de détection laser 750, une lentille convergente 770, le rayonnement incident vers le balancier 1, le point de réflexion sur le balancier 1 ou sur les organes qu'il porte, le rayonnement réfléchi, une lentille convergente 780, et le photo-détecteur 760.
  • Sur la figure 12, le bord gauche de la serge 19 du balancier 1 oscille de haut en bas dans sa trajectoire circulaire. Le chip 2 est fixé au balancier 1 par sa base. L'optique est composée d'une source laser d'écriture 700 pour effectuer l'écriture d'axe optique selon la direction z perpendiculaire au plan du balancier 1, et d'un laser de détection 750, par exemple incliné d'un angle de 45° par rapport au plan du balancier, dont les axes des faisceaux incident et réfléchi sont compris dans le plan xz. Leurs spots respectifs peuvent être légèrement décalés en x, mais doivent rester sur la même cote en z.
  • La figure 13 juxtapose trois graphes temporels, établis avec en abscisse des échelles de temps différentes, mais qui sont agencés l'un par rapport à l'autre pour mettre en évidence des instants particuliers et les phénomènes qui s'y produisent: le graphe supérieur affiche en ordonnée la vitesse angulaire oméga OME du balancier 1, le graphe médian affiche en ordonnée la valeur du signal VPD du photo-détecteur 760, et le graphe inférieur affiche en ordonnée l'intensité optique IIE émise par la source laser d'écriture 700.
  • Lorsque le balancier 1 oscille, sa vitesse angulaire OME est maximum au voisinage du point neutre, soit entre les temps t1 et t4 du graphe supérieur de la figure 13, qui correspond à un balancier-spiral oscillant à quelques Hz. Cette zone est intéressante, car la vitesse ne varie pas beaucoup donc elle peut être considérée comme quasi-constante. Le laser de détection 750 est ainsi utilisé pour allumer et éteindre une salve d'impulsions d'écriture, issue de la source laser d'écriture 700.
  • Le signal VPD du photo-détecteur 760 associé au laser de détection 750 est à la valeur 1 lorsque son spot est sur une zone pleine du chip 2, c'est-à-dire successivement zone de fixation 30/ premier bras inférieur 33/ deuxième bras supérieur 34/ masselotte 3, tel que visible à la fois sur le graphe médian de la figure 13 et sur la figure 12, et le signal VPD est à la valeur 0 dans une fente. Ainsi, on peut utiliser ce signal pour enclencher et déclencher l'écriture de la salve par la source laser d'écriture 700, soit entre les temps t2 et t3, et plus exactement dans une première zone d'écriture 391 pour le réglage d'avance sur le premier bras 33, ou dans une deuxième zone d'écriture 392 pour le réglage de retard sur le deuxième bras 34. Dans l'exemple illustré par la figure 12, quatre lignes d'expansion 390 sont écrites dans la première zone d'avance sur le premier bras 33, ce qui va tirer la masselotte 3 vers l'axe de rotation D du balancier 1, et provoquer une avance de marche par augmentation de la fréquence. Le début des salves d'intensité optique IIE est déclenché par le flanc positif du signal VPD à l'instant TON, et leur arrêt est déclenché par le flanc négatif du signal VPD à l'instant TOFF. On peut, par exemple, utiliser une alternance, c'est-à-dire une demi-période, pour écrire une ligne d'expansion 390, puis se décaler d'un incrément x avec la source laser d'écriture 700, pour écrire la ligne d'expansion adjacente suivante à l'alternance suivante, et ainsi de suite. La détection du sens de rotation est faite à l'aide du signal VPD, dont le pattern est différent selon le sens. Cela permet d'allumer la source laser d'écriture 700 toujours dans la bonne zone.
  • La durée Te d'écriture (de passage) dans la première zone d'avance sur le premier bras 33, ou dans la deuxième zone de retard sur le deuxième bras 34, qui est une zone de longueur Le, est donnée par:
    • Te = Le / (R*A*2π*F), avec R = rayon de giration, A= amplitude angulaire du balancier et F= fréquence de l'oscillateur.
  • Dans cet exemple, Le = 190 um, R = 4 mm, A = 270°, F = 4 Hz, d'où Te = 0.40 ms.
  • La fréquence de répétition des impulsions d'écriture étant de 800 kHz dans cet exemple, le nombre d'impulsions par passage vaut donc 800 * 0,40 = 320, et donc l'erreur maximum (cumulée) de la marche vaut donc : 1/320 * (+/-9 secondes par jour) = +/- 0.03 secondes par jour, ce qui est parfaitement satisfaisant pour l'application.
  • La technique d'usinage de verre par laser femtosecondes et attaque chimique, qui permet de réaliser des structures tridimensionnelles précises au micromètre près, est une technique éprouvée.
  • Cette technique permet de réaliser des chips 2 millimétriques avec des éléments flexibles qui peuvent se déplacer sur des amplitudes micrométriques, avec des précisions nanométriques. L'actionnement du nano-déplacement de la partie actionneur 35 est effectué par écriture laser de contraintes internes. Un système de cols flexibles 31 et de bielles 310 permet d'augmenter les amplitudes selon la direction linéaire L.
  • La réalisation d'un tel chip 2 est adaptée au réglage précis et fiable de la marche d'un balancier-spiral, d'une précision de 0.03 seconde par jour, et d'une résolution de 0.09 seconde par jour, dans une plage de typiquement +/-10 seconde par jour. Bien sûr, l'amplitude de plage et la résolution peuvent être aisément variés par adaptation du design.
  • On peut noter que l'invention offre la possibilité d'effectuer une dilatation infinitésimale et irréversible, ce qui, en théorie, pourrait permettre, par une série de tirs sur l'élément de rappel élastique de l'oscillateur, tel que ressort spiral, lame flexible ou similaire, de modifier sa raideur; toutefois la création de ces zones déformées nuit à l'homogénéité du composant, et le risque est une altération des propriétés élastiques de cet élément de rappel élastique. C'est pourquoi l'invention est présentée ici préférentiellement pour une action sur l'élément inertiel, peu important qu'il soit suspendu par ressort spiral, ou par lames élastiques.
  • Le système de réglage est compact et ne nécessite pas de complications additionnelles dans la montre 1000, autre que le montage de deux ou plusieurs chips 2 en verre sur le balancier 1.
  • Ce réglage peut être effectué directement sur une montre 1000 complète, à la condition que la tête de montre 500 comporte un élément transparent transmissif 600, tel qu'un fond, une glace, ou autre, qui soit transparent ou non-absorbant pour le laser d'écriture en accès optique sur l'oscillateur. L'invention concerne naturellement une montre 1000 ainsi équipée.
  • La figure 14 illustre les périphériques et leurs liens : les moyens de pilotage 790, une table à mouvements croisés 710 pour la manœuvre du laser d'écriture 700, un laser de détection 750, le moyen de recueil du rayonnement réfléchi 760, et des moyens 720 d'arrêt et de libération de l'oscillateur 100.
  • La partie extérieure du réglage (posage, microscope, optiques et lasers) occupe typiquement le volume d'un bureau, ce qui permet un réglage rapide et convivial, autant en production qu'en boutique pour le service clients.
  • La mise en œuvre de l'invention est d'autant meilleure que l'on parvient à une optimisation de l'absorption du rayonnement par la séparation de protection physique (boîte, emboîtage), que l'on réalise un système de positionnement fiable du spot laser. Naturellement, il convient d'adopter un dimensionnement adapté pour les zones sous tension, au-dessus de certaines dimensions déterminées expérimentalement, pour éviter une fragilité accrue de ces zones sous tension, qui pourrait provoquer une rupture prématurée lors de chocs.

Claims (23)

  1. Procédé d'ajustement fin de la marche d'un oscillateur mécanique (100) d'horlogerie comportant au moins une masse inertielle (1), par exemple mais non limité à : un balancier, agencée pour osciller autour d'un axe de rotation (D) et rappelée vers une position de repos par des moyens de rappel élastique, caractérisé en ce que, dans une première étape (801) on équipe ledit oscillateur (100) avec au moins une dite masse inertielle (1) comportant un actionneur (35) dans un matériau apte à une micro-expansion locale irréversible sous l'action de tirs laser, ledit actionneur (35) étant agencé pour imprimer à une masselotte (3) une course linéaire radiale par rapport audit axe de rotation (D), directement ou par l'intermédiaire d'au moins un amplificateur de course (36), lorsqu'une zone d'écriture (39 ; 391 ; 392) que comporte ledit actionneur (35) est soumise à des tirs laser appropriés, dans une deuxième étape (802) on effectue un premier réglage grossier de la marche initiale dudit oscillateur (100) dans une première plage de marche et on mesure ladite marche, dans une troisième étape (803) on calcule le sens et la valeur de l'écart de marche à imprimer audit oscillateur (100) pour l'amener dans une deuxième plage de marche prédéterminée, et on calcule le sens et la valeur de la course à imprimer à chaque dite masselotte (3) que comporte ledit oscillateur (100), dans une quatrième étape (804) on soumet au moins une dite zone d'écriture (39 ; 391 ;392) à des tirs laser femtoseconde pour créer au moins une ligne d'expansion (390) par dilatation moléculaire locale dudit matériau pour déformer ledit actionneur (35) radialement par rapport audit axe de rotation (D), dans une cinquième étape (805) on mesure la marche dudit oscillateur (100) et on réitère si nécessaire ladite troisième étape (803) et ladite quatrième étape (804) jusqu'à ce que la marche dudit oscillateur (100) soit dans ladite deuxième plage de marche.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on applique ledit procédé à un dit oscillateur (100) avec au moins deux dites masses inertielles (1) comportant chacune un dit actionneur (35).
  3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, lors de ladite quatrième étape (804) on utilise une source laser femtoseconde (700) montée sur une table à mouvements croisés (710) ou à course radiale, de façon à juxtaposer différentes séries de tirs sur des rayons différents par rapport audit axe de rotation (D) pour créer une série de dites lignes d'expansion (390) au voisinage immédiat les unes des autres.
  4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, lors de ladite quatrième étape (804) on utilise une source laser femtoseconde (700) pour effectuer des tirs laser dans chaque sens de rotation de ladite masse inertielle (1).
  5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que, lors de ladite quatrième étape (804) on utilise des moyens de pilotage (790) pour piloter les tirs de ladite source femtolaser (700) selon les informations de présence ou d'absence de matériau fournies par la combinaison d'un laser de détection (750) et un moyen de recueil (760) ou un photo-détecteur.
  6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, lors de ladite première étape (801) on choisit un dit actionneur (35) comportant, sur un premier bras (33) une première zone d'écriture (391), et sur un deuxième bras (34) parallèle au premier bras (33) selon une direction linéaire (L) radiale et le joignant au niveau d'un segment commun (334) une deuxième zone d'écriture (392), ledit actionneur (35) étant ainsi monté en «S» entre d'une part une zone de fixation (30) fixée à un support (2) monté sur ladite masse inertielle (1) ou directement fixée sur ladite masse inertielle (1), et d'autre part un point de sortie ou un col de liaison (32) de liaison avec un mécanisme amplificateur (36), ledit actionneur (35) étant agencé pour agir dans deux sens opposés selon ladite direction linéaire (L), selon que, lors de ladite quatrième étape (804), l'écriture par tirs femtolasers a lieu dans ladite première zone d'écriture (391) sur ledit premier bras (33) pour un réglage d'avance, ou dans ladite deuxième zone d'écriture (392) sur ledit deuxième bras (34) pour un réglage de retard.
  7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que, lors de ladite première étape (801) on choisit un dit actionneur (35) avec un point de sortie ou un col de liaison (32) de liaison avec un mécanisme amplificateur (36) agencé pour amplifier la course de sortie dudit actionneur (35), pour imprimer une course amplifiée à ladite masselotte (3).
  8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit amplificateur (36) est de type parallélogramme, et comporte un système d'embiellage avec des bielles (310) agencées entre des cols flexibles (31) formant un guidage linéaire selon une direction linéaire (L) radiale.
  9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que, lors de ladite première étape (801) on choisit un dit actionneur (35) comportant une zone de fixation (30) solidaire d'un support (2) monté sur ladite masse inertielle (1), et en ce que ledit support (2) forme un ensemble monobloc constituant un micro-mécanisme flexible, avec ledit actionneur (35), un amplificateur (36) et ladite masselotte (3) montés en série les uns avec les autres.
  10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que, lors de ladite première étape (801) on choisit un dit actionneur (35) comportant une zone de fixation (30) fixée à un support (2) monté sur ladite masse inertielle (1) ou solidaire d'un dit support (2) et en ce que ledit actionneur (35) et/ou ledit support (2) est en verre.
  11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que, lors de ladite première étape (801) on choisit ladite masse inertielle (1) sous la forme d'un balancier, qui comporte au moins une paire de dites masselottes (3) identiques et diamétralement opposées par rapport audit axe de rotation (D).
  12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que, lors de ladite première étape (801) on intègre ledit oscillateur (100) dans une tête de montre (500) d'une montre (1000), laquelle tête de montre (500) comporte au moins un élément transparent transmissif (600), qui sépare l'extérieur et l'intérieur de ladite montre (1000) et permet un accès optique à au moins un laser vers au moins ladite masse inertielle (1) dudit oscillateur (100) de la montre.
  13. Procédé selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que, lors de ladite première étape (801) on équipe ledit oscillateur (100) de moyens d'arrêt ou d'un stop-secondes agencé pour prendre appui sur une dite masse inertielle (1), et en en ce qu'on effectue ladite quatrième étape (804) dans une position bloquée de ladite masse inertielle (1).
  14. Procédé selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que, lors de ladite quatrième étape (804) on effectue lesdits tirs laser femtoseconde d'écriture pendant l'oscillation de ladite masse inertielle (1), dont on synchronise la position angulaire et lesdits tirs.
  15. Procédé selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que, lors de ladite quatrième étape (804) on effectue lesdits tirs avec un laser femtoseconde.
  16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que, lors de ladite quatrième étape (804) on effectue lesdits tirs avec un laser femtoseconde, de longueur d'onde entre 900 et 1100 nm, de durée d'impulsion entre 200 et 350 fs, d'énergie d'une impulsion environ entre 200 et 300 nJ, de fréquence de répétition de 700 à 900 kHz.,
  17. Oscillateur mécanique (100) d'horlogerie comportant au moins une masse inertielle (1) agencée pour osciller autour d'un axe de rotation (D) et rappelée vers une position de repos par des moyens de rappel élastique, caractérisé en ce que au moins une dite masse inertielle (1) comporte un actionneur (35) dans un matériau apte à une micro-expansion locale irréversible sous l'action de tirs laser, ledit actionneur (35) étant agencé pour imprimer à une masselotte (3) une course linéaire radiale par rapport audit axe de rotation (D), directement ou par l'intermédiaire d'au moins un amplificateur de course (36), lorsqu'une zone d'écriture (39 ; 391 ; 392) que comporte ledit actionneur (35) est soumise à des tirs laser appropriés.
  18. Oscillateur mécanique (100) selon la revendication 17, caractérisé en ce que ledit actionneur (35) comporte, sur un premier bras (33) une première zone d'écriture (391) et sur un deuxième bras (34) parallèle au premier bras (33) selon une direction linéaire (L) radiale et le joignant au niveau d'un segment commun (334) une deuxième zone d'écriture (392), ledit actionneur (35) étant ainsi monté en « S » entre d'une part une zone de fixation (30) fixée à un support (2) monté sur ladite masse inertielle (1) ou directement fixée sur ladite masse inertielle (1), et d'autre part un point de sortie ou un col de liaison (32) de liaison avec un mécanisme amplificateur (36), ledit actionneur (35) étant agencé pour agir dans deux sens opposés selon ladite direction linéaire (L), selon que des dits tirs laser femtoseconde sont appliqués dans ladite première zone d'écriture (391) sur ledit premier bras (33) pour un réglage d'avance, ou dans ladite deuxième zone d'écriture (392) sur ledit deuxième bras (34) pour un réglage de retard.
  19. Oscillateur mécanique (100) selon la revendications 17 ou 18, caractérisé en ce que ledit actionneur (35) comporte un point de sortie ou un col de liaison (32) de liaison avec un mécanisme amplificateur (36) agencé pour amplifier la course de sortie dudit actionneur (35), pour imprimer une course amplifiée à ladite masselotte (3), et en ce que ledit amplificateur (36) est de type parallélogramme, et comporte un système d'embiellage avec des bielles (310) agencées entre des cols flexibles (31) formant un guidage linéaire selon une direction linéaire (L) radiale.
  20. Oscillateur mécanique (100) selon l'une des revendications 17 à 19, caractérisé en ce que ledit actionneur (35) comporte une zone de fixation (30) solidaire d'un support (2) monté sur ladite masse inertielle (1), et en ce que ledit support (2) forme un ensemble monobloc constituant un micro-mécanisme flexible, avec ledit actionneur (35), un amplificateur (36) et ladite masselotte (3) montés en série les uns avec les autres.
  21. Oscillateur mécanique (100) selon l'une des revendications 17 à 20, caractérisé en ce que ledit actionneur (35) comporte une zone de fixation (30) fixée à un support (2) monté sur ladite masse inertielle (1) ou solidaire d'un dit support (2) et en ce que ledit actionneur (35) et/ou ledit support (2) est en verre.
  22. Oscillateur mécanique (100) selon l'une des revendications 17 à 21, caractérisé en ce que ladite masse inertielle (1) est un balancier, qui comporte au moins une paire de dites masselottes (3) identiques et diamétralement opposées par rapport audit axe de rotation (D).
  23. Montre (1000) comportant au moins un oscillateur mécanique (100) selon l'une des revendications 17 à 22, caractérisée en ce que ladite montre (1000) comporte une tête de montre (500) comportant au moins un élément transparent transmissif (600), qui sépare l'extérieur et l'intérieur de ladite montre (1000) et permet un accès optique à au moins un laser vers au moins ladite masse inertielle (1) dudit oscillateur (100) de la montre.
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