Domaine technique
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La présente invention concerne le domaine des oscillateurs mécaniques pour un mouvement horloger. Plus particulièrement, la présente invention concerne un oscillateur mécanique permettant de corriger le défaut d'isochronisme de l'oscillateur.
Etat de la technique
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Un oscillateur à guidage flexible est constitué d'un balancier (inertie) et d'un pivot flexible ayant la double fonction de rappel élastique et de guidage en rotation du balancier. Un tel oscillateur à guidage flexible est décrit par exemple dans le document
EP3299905B1 . Le pivot flexible est composé d'une pluralité d'éléments flexibles, souvent des lames, liées les unes aux autres par des éléments rigides. Les lames élastiques sont réalisées avec des procédés de fabrication tel que la gravure ionique réactive profonde (en anglais
Deep Reactive Ion Etching, DRIE) dans le cas du silicium qui permet d'obtenir des épaisseurs de lames précise à ± 0.5 µm. Suivant la topologie du pivot flexible, une telle variation d'épaisseur peut avoir une influence non-seulement sur la fréquence de l'oscillateur mais aussi sur son défaut d'isochronisme (variation de la fréquence lorsque l'amplitude de l'oscillation varie). Comme le défaut d'épaisseur n'est pas systématique, il peut être nécessaire de régler l'isochronisme du pivot. De plus, les lames d'un pivot flexible peuvent être réparties sur plusieurs pièces assemblées manuellement ou assemblées au niveau du wafer (cas du silicium). Les imprécisions d'assemblage peuvent également engendrer un défaut d'isochronisme. Dans tous les cas, ce défaut d'isochronisme se manifeste par une modification de la relation entre le couple de rappel élastique du pivot flexible et l'angle de rotation du pivot.
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Ainsi, corriger ce défaut d'isochronisme revient à agir sur le couple élastique, typiquement en ajoutant un ressort en parallèle au pivot flexible. Le réglage de l'isochronisme peut alors se faire en agissant sur la raideur de ce second ressort ou en le préchargeant. Cette correction est délicate car il est difficile de régler l'isochronisme sans dégrader une autre propriété du pivot flexible telle que sa sensibilité à la gravité. La fréquence propre de l'oscillateur peut également être affectée mais cette dernière peut être réglée dans un second temps typiquement en agissant sur l'inertie du balancier. A noter encore que l'isochronisme est une propriété fondamentale pour un oscillateur car ce dernier est alimenté par un couple mécanique qui varie dans le temps ce qui affecte l'amplitude du balancier. Si l'oscillateur n'est pas isochrone, sa fréquence variera dans le temps et la montre sera alors imprécise.
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Le document
EP2273323 décrit un oscillateur mécanique oscillant autour d'un axe sans pivot, comprenant plusieurs systèmes élastiques reliant la serge et la portion de fixation. Cet oscillateur est notamment caractérisé en ce qu'il comporte au moins un système de précontrainte en traction ou en compression des lames d'un organe de rappel. Le système de précontrainte permet d'ajuster la fréquence propre de l'oscillateur via un ressort supplémentaire pouvant être plus ou moins tendu
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Le document
EP3722888 décrit un oscillateur mécanique comprenant un système de compensation permettant de corriger l'isochronisme de l'oscillateur. Le système de compensation est un système ressort supplémentaire qui peut être ajusté à l'aide d'un curseur coulissant.
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Le document
WO2017157870 présente un oscillateur monolithique qui comporte un support et un organe réglant inertiel relié au support par une suspension élastique. La suspension élastique comporte une liaison élastique supplémentaire de réglage ayant une extrémité réglable par rapport au support, de manière à modifier la raideur globale de la suspension élastique et donc la fréquence d'oscillation de l'organe réglant inertie.
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Le système de réglage des oscillateurs décrits ci-dessus agit de manière asymétrique et peut déséquilibrer l'axe de pivotement.
Bref résumé de l'invention
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La présente invention concerne un oscillateur mécanique pour un mouvement horloger. L'oscillateur comprend une partie fixe destinée à être liée à un élément fixe du mouvement, un balancier coaxial avec un axe de pivotement, et au moins trois liaisons flexibles configurées de sorte que le balancier puisse osciller dans un plan d'oscillation sensiblement perpendiculaire à l'axe de pivotement. Chaque liaison flexible s'étend radialement par rapport à l'axe de pivotement et relie la partie fixe au balancier. Chaque liaison flexible comprend un premier élément flexible et un second élément flexible, sensiblement coplanaires dans un plan axial parallèle à l'axe de pivotement. Une première extrémité du premier élément flexible est liée à la partie fixe et une première extrémité du second élément flexible est liée rigidement au balancier. Une seconde extrémité le premier élément flexible et du second élément flexible sont reliées par une liaison rigide. L'oscillateur comprend un élément de précharge configuré pour appliquer une précharge sur au moins l'une des liaisons rigides dans une direction sensiblement radiale.
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La précharge appliquée par l'élément de précharge permet de modifier la relation couple élastique et angle de rotation et de minimiser le défaut d'isochronisme de l'oscillateur dans une gamme d'amplitude de fonctionnement normal de ce dernier. L'élément de précharge agit de manière symétrique et ne déséquilibre pas l'axe de pivotement. La sensibilité de l'oscillateur à la gravité est conservée en présence de la précharge appliquée.
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Contrairement aux systèmes de correction d'isochronisme proposés dans l'état de l'art, l'élément de précharge n'induit pratiquement pas d'encombrement supplémentaire à l'oscillateur et est simple à produire. L'élément de précharge peut être ajouté à oscillateur existant sans nécessiter d'étapes d'assemblage complexes.
Brève description des figures
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Des exemples de mise en oeuvre de l'invention sont indiqués dans la description illustrée par les figures annexées dans lesquelles :
- la figure 1 illustre un oscillateur mécanique comprenant des liaisons flexibles et un cadre de couplage comportant des arcs, selon un mode de réalisation;
- la figure 2 représente un détail d'une portion d'un arc lié à un liaisons flexible, ainsi qu'un élément de précharge, selon un mode de réalisation; et
- la figure 3 montre une courbe d'isochronisme de l'oscillateur comprenant des liaisons flexibles, ne présentant pas de défaut d'épaisseur (courbe C1), présentant un défaut d'épaisseur non corrigé (courbe C2), et présentant un défaut d'épaisseur corrigé par l'élément de précharge (courbe C3).
Exemple(s) de mode de réalisation de l'invention
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La
figure 1 illustre un oscillateur mécanique pour un mouvement horloger, selon un mode de réalisation. L'oscillateur comprend une partie fixe 15 destinée à être fixée à une partie fixe du mouvement horloger (non représenté). La partie fixe 15 comprend une portion centrale fixe 30. Un élément inertiel 10 (par exemple un balancier) est monté coaxial avec un axe de pivotement A. Un tel oscillateur est décrit dans le brevet
EP3299905B1 de la présente demanderesse.
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Une liaison rigide 16, supportant l'élément inertiel 10, s'étend radialement entre une portion centrale mobile 31 et l'élément inertiel 10. Dans l'exemple illustré, la portion centrale fixe 30 et la portion centrale mobile 31 prennent la forme d'un moyeu autour de l'axe de pivotement A. La liaison rigide comporte trois bras 16, 17 arrangés radialement. Plus particulièrement, chaque bras comporte un premier bras 16 connecté en série avec un second bras 17 par l'intermédiaire d'une structure annulaire 18. D'autres dispositions de la liaison rigide sont également possibles sans changer le champ d'application de l'oscillateur mécanique. Par exemple, la liaison rigide peut comporter qu'un seul ou plusieurs bras 16 reliant rigidement et directement la portion centrale mobile 31 à l'élément inertiel 10.
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L'oscillateur mécanique comprend en outre un élément de rappel élastique 20 configuré de sorte que l'élément inertiel 10 puisse osciller dans un plan d'oscillation Po sensiblement perpendiculaire à l'axe de pivotement A. Selon le mode de réalisation illustré, l'élément de rappel élastique comporte trois liaisons flexibles 20. Chaque liaison flexible 20 s'étend radialement par rapport à l'axe de pivotement A de manière à relier la partie fixe 15 à l'élément inertiel 10 (par l'intermédiaire de la portion centrale fixe 30).
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Plus particulièrement, chaque liaison flexible 20 comprend un premier élément flexible 21 et un second élément flexible 22 sensiblement coplanaire au premier élément flexible 21 dans un plan axial Pa parallèle à l'axe de pivotement A (et perpendiculaire au plan d'oscillation Po). Une extrémité proche de l'axe de pivotement A du premier élément flexible 21 est liée à la portion centrale fixe 30, et celle du second élément flexible 22 est liée la liaison rigide 16. Les premier et second éléments flexibles 21, 22 sont liés ensemble à leur autre extrémité par une liaison rigide 50.
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Selon un mode de réalisation, l'oscillateur mécanique comprend un élément de précharge 60 configuré pour appliquer une précharge sur au moins l'une des liaisons rigides 50 dans une direction sensiblement radiale.
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Pour que le défaut d'isochronisme de l'oscillateur soit minimal, les raideurs du premier et du second élément flexible 21, 22 doivent être identiques. En pratique, dans le cas où le premier et second élément flexible 21, 22 sont des lames, une différence d'épaisseur entre ces lames, dues aux tolérances de fabrications, existe et produit une différence de raideur qui induit un défaut d'isochronisme qu'il convient de minimiser sur l'amplitude de fonctionnement typique de l'oscillateur. Cette différence de raideur modifie la relation entre le couple élastique et l'angle de rotation de l'oscillateur. La précharge appliquée permet de modifier la relation entre le couple élastique et l'angle de rotation, afin de minimiser le défaut d'isochronisme de l'oscillateur dans une gamme d'amplitude de fonctionnement normal de l'oscillateur.
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Selon une forme d'exécution illustrée à la figure 1, l'oscillateur comprend un cadre de couplage 40 comportant trois arcs 41 reliés les uns aux autres par leurs extrémités. Chaque arc 41 comprend une lame de couplage intérieure 42 et une lame de couplage extérieure 43 sensiblement coplanaires dans le plan d'oscillation Po. . Dans cette configuration, l'élément de précharge 60 est configuré pour précharger au moins l'un des arcs 41. L'arc 41 préchargé applique alors la précharge sur au moins l'une des liaisons rigides 50 dans une direction sensiblement radiale.
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L'élément de précharge 60 peut être configuré pour précharger un seul des arcs 41 ou chacun des arcs 41. Chaque arc 41 préchargé applique alors la précharge sur au moins l'une des liaisons rigides 50 dans une direction sensiblement radiale (vers la portion centrale fixe 30).
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L'élément de précharge 60 peut être configuré pour déformer en flexion la lame de couplage extérieure 43.
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Il faut noter que le cadre de couplage 40 permet, même en absence de l'élément de précharge 60, d'éviter que les liaisons flexibles 20 ne subissent de torsion. En effet en cas de torsion des liaisons flexibles 20, par exemple lors de la rotation de l'élément inertiel 10, la sensibilité de l'oscillateur à la gravité est péjorée.
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La figure 2 représente un détail d'une portion d'un arc 41 montrant la lame de couplage intérieure 42 reliée au premier élément flexible 21 et au second élément flexible 22 (non visible sur la figure 2) par l'intermédiaire de la liaison rigide 50. L'élément de précharge comprend un élément intercalaire 60 inséré entre la lame de couplage intérieure 42 et la lame de couplage extérieure 43 formant l'arc 41. L'élément intercalaire 60 applique une précharge sur l'arc 41 par la déformation en flexion de la lame de couplage extérieure 43. L'élément intercalaire 60 peut prendre la forme d'un élément de volume ayant une section constante. Une dimension latérale de l'élément de volume peut être prédéterminée, de manière à ajuster le degré de déformation de la lame de couplage extérieure 43 et à obtenir une précharge souhaitée. Par exemple, l'élément intercalaire 60 peut comprendre un élément cylindrique (tel une pastille) ayant un diamètre prédéterminé.
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Dans la figure 2 l'élément intercalaire 60 en ligne continue possède un diamètre qui déforme peu la lame de couplage extérieure 43 et applique une faible précharge. Représentés en traitillés, l'élément intercalaire 60' de plus grand diamètre produit une plus grande déformation de la lame de couplage extérieure 43' et applique une précharge plus élevée.
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L'élément intercalaire 60 peut être réalisé en silicium ou tout autre matériau pouvant être usiné avec précision. Des éléments intercalaires 60 de différents diamètres permettent de précharger l'arc 41 en fonction de l'ampleur du défaut d'isochronisme à corriger. Une fois la correction effectuée, l'élément intercalaire 60 peut être fixé à l'oscillateur.
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Alternativement, l'élément intercalaire 60 peut comprendre un élément de volume ayant une dimension latérale ajustable. Un tel élément intercalaire 60 peut comprendre par exemple une vis excentrique. Dans ce cas, la précharge peut être ajustée lorsque l'élément intercalaire 60 est inséré entre la lame de couplage intérieure 42 et la lame de couplage extérieure 43. L'élément intercalaire 60 peut également comprendre un élément de volume de section variable, par exemple un volume tronconique. Dans ce cas, la précharge appliquée peut être ajustée en déplaçant l'élément intercalaire 60 entre la lame de couplage intérieure 42 et la lame de couplage extérieure 43, par exemple dans une direction sensiblement perpendiculaire à ces lames 42, 43.
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Selon une forme d'exécution, l'élément intercalaire 60 peut être inséré au niveau de la liaison rigide 50. Dans cette configuration, la force de précharge, exercée par l'élément intercalaire 60 sur l'arc 41, est transmise aux premier et second éléments flexibles 21, 22 par l'intermédiaire de la liaison rigide 50.
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L'élément intercalaire 60 peut être configuré pour permettre de modifier la précharge appliquée sur chacune des liaisons flexibles 20 de manière indépendante. Par exemple, le diamètre de l'élément intercalaire 60 peut être ajusté indépendamment pour chacune des liaisons flexibles 20. L'application d'une précharge sensiblement identique sur chacune des liaisons flexibles 20 est souvent préférable afin de ne pas péjorer la sensibilité de l'oscillateur à la gravité. Par exemple, un réglage axisymétrique simple peut être obtenu avec des éléments de volume 60 identiques pour chaque liaisons flexibles 20 peut être réalisé afin de ne pas déséquilibrer le pivot et conserver une sensibilité à la gravité identique à celle du pivot sans précharge. Néanmoins, si la correction est petite, il est possible de précharger une seule des liaisons flexibles 20.
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L'élément intercalaire 60 peut être configuré pour appliquer la précharge sur seulement l'un des premiers et seconds éléments flexibles 21, 22 de la liaison flexible 20.
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La figure 3 compare une courbe d'isochronisme de l'oscillateur comprenant des liaisons flexibles 20 ne présentant pas de défaut d'épaisseur (courbe C1) avec une courbe d'isochronisme de l'oscillateur dont les liaisons flexibles 20 présentent un défaut de ±0.5 µm d'épaisseur et sans correction (courbe C2). Ici, chacune des premiers et seconds éléments flexibles 21, 22 comprend une lame. Un défaut de ±0.5 µm d'épaisseur correspond à un défaut par rapport à l'épaisseur nominale visée, par exemple, une lame du premier et/ou second éléments flexibles 21, 22 de l'une des liaisons flexibles 20 est 0.5 µm plus épaisse et une lame du premier et/ou second éléments flexibles 21, 22 d'une autre liaison flexible 20 est 0.5 µm moins épaisse. La courbe d'isochronisme de l'oscillateur indiquée par C3 correspond à l'oscillateur ayant le même défaut d'épaisseur que pour la courbe C2 et comportant l'élément de précharge 60. L'élément de précharge 60 permet de corriger le défaut d'isochronisme de l'oscillateur de sorte que la variation de marche de l'oscillateur est sensiblement nulle (plus petite qu'environ 1%) pour une gamme d'amplitude d'oscillation de l'oscillateur en fonctionnement normal. Dans l'exemple de la figure 3, la gamme d'amplitude d'oscillation de l'oscillateur en fonctionnement normal est comprise entre 16° et 20°.
Numéros de référence employés sur les figures
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- 10
- élément inertiel, balancier
- 15
- partie fixe
- 16
- premier bras
- 17
- second bras
- 18
- structure annulaire
- 20
- élément de rappel élastique, liaisons flexibles
- 21
- premier élément flexible
- 22
- second élément flexible
- 30
- portion centrale fixe
- 31
- portion centrale mobile
- 40
- cadre de couplage
- 41
- arc
- 42
- lame de couplage intérieure
- 43, 43'
- lame de couplage extérieure
- 50
- liaison rigide
- 60, 60'
- élément intercalaire
- A
- axe de pivotement
- Pa
- plan axial
- Po
- plan d'oscillation
