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La présente invention concerne un dispositif horloger à balancier-spiral. Le dispositif horloger est par exemple un mouvement horloger, une partie de mouvement horloger, un module destiné à être monté sur un mouvement horloger ou un tourbillon ou carrousel.
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Dans l'horlogerie mécanique, le balancier-spiral constitue une base de temps appelée résonateur. Ses oscillations sont entretenues et comptées par un échappement entraîné par un barillet logeant un ressort moteur. L'organe oscillant et inertiel du balancier-spiral est le balancier. Il est monté sur un arbre dont les extrémités (« pivots ») sont supportées par des paliers que comporte un bâti. Le spiral est le ressort de rappel du balancier. Il comprend une lame élastique enroulée en spirale dont l'extrémité intérieure est fixée à l'arbre par l'intermédiaire d'une virole et dont l'extrémité extérieure est fixée au bâti, plus précisément à un pont de balancier du bâti, par l'intermédiaire d'un piton.
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Pour la précision de la montre, il est important de pouvoir régler la marche du résonateur. La marche désigne traditionnellement la différence entre deux états de la montre ou du résonateur séparés par un intervalle de temps donné, typiquement un intervalle de 24 heures - on parle alors de « marche diurne ». Il est aussi possible de mesurer une marche instantanée µ, rapportée sur une durée de 24 heures, donc exprimée en secondes par jour (s/d), en fonction de la période des oscillations du balancier : où T est la période observée du balancier, T0 est la période théorique (période souhaitée) des oscillations et 86400 est le nombre de secondes dans 24 heures. Pour régler la marche, les horlogers peuvent agir sur l'inertie du balancier et/ou sur la raideur du spiral. L'inertie du balancier peut par exemple être ajustée en tournant des masselottes ou des vis de réglage portées par la serge du balancier. En actionnant un levier appelé raquette on peut aussi modifier la longueur active du spiral, donc sa raideur.
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La demande de brevet
EP 4009115 A1 décrit un spiral dont la raideur peut être réglée d'une autre manière. Ce spiral comprend un ruban ou lame flexible enroulé selon plusieurs spires et un élément flexible agencé en série du ruban et reliant ainsi l'extrémité extérieure du ruban à un support fixe. Des moyens de précontrainte sont agencés pour faire varier la raideur de l'élément flexible, donc la raideur globale du spiral, sans modifier la position de l'extrémité extérieure du ruban. Cette solution ne permet toutefois qu'un réglage fin, et doit en pratique être combinée avec un réglage de l'inertie du balancier pour offrir à l'horloger une plage de réglage de la marche suffisante.
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La présente invention vise à proposer une autre solution pour régler la marche d'un résonateur, dont la plage de réglage peut être particulièrement grande.
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A cette fin, il est prévu un dispositif horloger selon la revendication 1, des modes de réalisation particuliers étant définis dans les revendications dépendantes.
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La présente invention propose également une pièce d'horlogerie, par exemple une montre, telle que définie dans la revendication 9 et un procédé de réglage tel que défini dans la revendication 10.
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D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée suivante faite en référence aux dessins schématiques annexés dans lesquels :
- la figure 1 est une vue en coupe partielle d'un dispositif horloger selon l'invention ;
- la figure 2 est une vue d'un spiral faisant partie du dispositif horloger selon l'invention, ce spiral étant représenté à l'état de repos (non oscillant) et sans contrainte de réglage ;
- la figure 3 est une vue du même spiral à l'état de repos (non oscillant) mais après application d'une force de réglage ;
- la figure 4 est une vue du même spiral à l'état de repos (non oscillant) mais après application d'une force de réglage de sens opposé à celle de la figure 3 ;
- la figure 5 est un diagramme de la force radiale, en newtons, appliquée à l'arbre sur lequel est monté un balancier du dispositif horloger, en fonction du temps pendant les oscillations du balancier, pour trois forces de réglage différentes ;
- la figure 6 est un diagramme de la marche instantanée, en secondes/jour, du balancier-spiral (en position horizontale) en fonction de l'amplitude d'oscillation du balancier, en degrés, pour onze forces de réglage différentes ;
- les figures 7 à 13 sont des vues de variantes du spiral faisant partie du dispositif horloger selon l'invention.
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En référence à la figure 1, un dispositif horloger selon l'invention, pour une pièce d'horlogerie telle qu'une montre, en particulier une montre-bracelet, comprend un bâti 1 et un résonateur 2 monté dans le bâti 1. Dans l'exemple représenté, le bâti 1 est celui du mouvement de la pièce d'horlogerie et constitue donc une partie fixe de la pièce d'horlogerie. Le bâti 1 comprend une platine 3 et des ponts fixés sur la platine 3, notamment un pont de balancier 4. Entre la platine 3 et le pont de balancier 4 se trouve le résonateur 2 comprenant un balancier 5, un arbre 6 d'axe A sur lequel est monté le balancier 5 et un spiral 7 servant de ressort de rappel au balancier 5. Les pivots de l'arbre 6 sont agencés pour tourner dans des paliers 8 que comportent respectivement la platine 3 et le pont de balancier 4.
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Le spiral 7 comprend (cf. figure 2) une partie principale constituée d'une lame élastique enroulée 9 s'étendant d'une extrémité intérieure 10 à une extrémité extérieure 11. L'extrémité intérieure 10 est jointe à une virole 12 montée sur l'arbre 6 et est ainsi solidaire du balancier 5. L'extrémité extérieure 11 est fixée de manière classique au bâti 1, plus précisément au pont de balancier 4, par l'intermédiaire d'un piton (non représenté).
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Le spiral 7 comprend en outre un élément élastique 13 joint à la spire extérieure de la lame élastique enroulée 9 en un point de jonction 14 et qui, comme la lame élastique enroulée 9, se déforme pendant les oscillations du balancier 5. Le point de jonction 14 est distant de l'extrémité extérieure 11, en d'autres termes il est séparé de cette extrémité extérieure 11 par une portion élastique 15 de la spire extérieure. Dans l'exemple de la figure 2, l'élément élastique 13 est une lame coudée s'étendant du point de jonction 14 à une extrémité libre 16, la portion entre le point de jonction 14 et le coude s'étendant radialement par rapport à l'axe A de l'arbre 6. L'élément élastique 13 est de préférence en une seule pièce avec la lame élastique enroulée 9, et de préférence le spiral 7 est en une seule pièce avec la virole 12. Le spiral 7 est par exemple en silicium, de préférence recouvert d'une couche d'oxyde de silicium, et est obtenu par exemple par une méthode mettant en oeuvre une gravure ionique réactive profonde.
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L'extrémité libre 16 de l'élément élastique 13 est fixe pendant le fonctionnement normal du résonateur 2 mais coopère avec un dispositif de réglage 17 actionnable par un horloger, typiquement au moyen d'un outil. Ainsi, lors de la mise au point du mouvement horloger, l'extrémité libre 16 peut être déplacée comme indiqué par la double flèche sur la figure 2 de façon à déplacer par l'intermédiaire de l'élément élastique 13 le point de jonction 14 dans la direction radiale par rapport à l'axe A, ou dans une direction proche de la direction radiale, dans au moins un des deux sens et de préférence dans chacun des deux sens.
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Un tel déplacement du point de jonction 14 pousse (cf. figure 3) ou tire (cf. figure 4) la spire extérieure dans ladite direction radiale, ce qui déforme l'ensemble de la lame élastique enroulée 9 et conduit cette dernière à appliquer une force radiale sur l'arbre 6 par l'intermédiaire de la virole 12 et à provoquer en réaction la génération d'une contre-force radiale des paliers 8 sur l'arbre 6. Cette force radiale, dont l'intensité dépend de la valeur du déplacement du point de jonction 14 par le dispositif de réglage 17, s'ajoute à la force radiale variable (périodique) qu'applique l'arbre 6 aux paliers 8 pendant les oscillations du balancier 5 en raison du développement excentrique du spiral 7.
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La figure 5 montre la contre-force radiale totale appliquée par les paliers 8 à l'arbre 6 pendant les oscillations du balancier 5 pour différentes valeurs de réglage, à savoir une valeur nulle (courbe du milieu : le dispositif de réglage 17 n'exerce aucune force sur l'élément élastique 13), une valeur positive (courbe du haut : le dispositif de réglage 17 a poussé la spire extérieure, comme illustré à la figure 3) et une valeur négative (courbe du bas : le dispositif de réglage 17 a tiré la spire extérieure, comme illustré la figure 4). On constate que le réglage a pour effet principal de déplacer la courbe de force/contre-force radiale vers le haut ou vers le bas selon le sens de déplacement du point de jonction 14 par le dispositif de réglage 17, c'est-à-dire d'ajouter une force radiale constante positive ou négative à la force radiale périodique due au développement excentrique du spiral 7.
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Modifier la force/contre-force radiale sur l'arbre 6 et les paliers 8 a un effet direct sur la marche du résonateur 2. En effet, pour tout balancier-spiral la force radiale est une perturbation que l'on peut traduire par une marche µ1, en secondes par jour (s/d), exprimée en fonction de l'amplitude θ0 du balancier :
- où : θ est l'élongation du balancier par rapport à sa position d'équilibre : θ(φ) = θ0 cos φ
- et : σ étant le rayon de giration du spiral et Δ(θ) étant le déplacement du centre géométrique du spiral (situé sur l'axe de rotation du balancier) lors des contractions et expansions du spiral dans une situation théorique où ce centre géométrique est libre, l'axe du balancier n'étant retenu par aucun palier, l'extrémité extérieure du spiral étant prise comme point de référence fixe.
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La valeur Δ(θ) du déplacement du centre géométrique du spiral dans la situation théorique où ce centre géométrique est libre est directement liée à la force radiale appliquée en pratique à l'arbre sur lequel est monté le balancier et qui pivote dans des paliers. Par conséquent, ajouter une force radiale constante sur l'arbre revient à ajouter une valeur constante au déplacement Δ(θ) dans les formules ci-dessus, ce qui permet d'ajuster la marche du résonateur.
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La figure 6 montre la marche du résonateur 2 en fonction de l'amplitude du balancier 5 pour différentes valeurs de réglage correspondant à des positions de l'extrémité libre 16 de l'élément élastique 13 éloignées de sa position de repos de -0,5 mm, -0,4 mm, -0,3 mm, -0,2 mm, -0,1 mm, 0 mm, +0,1 mm, +0,2 mm, +0,3 mm, +0,4 mm et +0,5 mm, pour une distance entre l'axe A et l'extrémité libre 16 de 3 mm lorsque la valeur de réglage est de 0 mm. Une caractéristique remarquable est la grande étendue de la marche (plus de 70 s/d) qu'il est possible de balayer au moyen du mode de réglage proposé par l'invention. Cette grande plage de réglage de la marche permet par exemple de supprimer les éléments de réglage de l'inertie du balancier (masselottes ou vis de réglage) et de régler la marche en n'agissant que sur le spiral.
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De préférence, afin d'augmenter l'intensité de la force radiale communiquée à l'arbre 6 par le dispositif de réglage 17 pour une valeur de réglage donnée, la portion élastique 15 de la spire extérieure séparant le point de jonction 14 de l'extrémité extérieure 11 s'étend sur un angle d'au moins 50°, de préférence d'au moins 100°, de préférence d'au moins 150°, de préférence d'au moins 200°, cet angle étant mesuré depuis l'axe A et lorsque le spiral 7 est au repos et que le dispositif de réglage 17 n'exerce aucune force sur l'élément élastique 13.
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La force radiale appliquée à l'arbre d'un balancier par un spiral pendant les oscillations du balancier présente une intensité et un sens variables (périodiques) mais reste orientée suivant une direction sensiblement constante. Il est connu par exemple que dans le cas d'un spiral fixé à l'arbre par une virole rigide, la direction de la force radiale est celle de la droite passant par l'extrémité intérieure et l'extrémité extérieure du spiral. Dans le cas d'une virole élastique, la direction de la force radiale est modifiée mais elle reste sensiblement constante. Dans la présente invention, de préférence, la force radiale découlant du réglage est orientée sensiblement selon la même direction que la force radiale variable reçue par l'arbre 6 pendant les oscillations du balancier 5 lorsque le dispositif de réglage 17 n'exerce aucune force sur l'élément élastique 13, ou est orientée selon une direction qui diffère de celle de ladite force radiale variable de ±40° au maximum, de préférence de ±30° au maximum, de préférence de ±20° au maximum, de préférence de ±10° au maximum. On évite ainsi de modifier l'isochronisme du résonateur, comme le reflètent les courbes de la figure 6 qui ont toutes sensiblement la même pente. On peut aussi ajuster l'isochronisme en épaississant, ou rigidifiant d'une autre manière, une portion 18 de la spire intérieure du spiral 7 et/ou en enroulant la lame élastique 9 selon un pas variable, comme illustré à la figure 2. On peut aussi épaissir, ou rigidifier d'une autre manière, une portion 19 de la spire extérieure pour ajuster l'isochronisme et/ou éviter que des spires se touchent pendant le fonctionnement du résonateur 2. On peut en outre enrouler la lame élastique 9 selon un pas variable afin d'empêcher les spires de se toucher pendant le fonctionnement.
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Le dispositif de réglage 17 peut comprendre tout type d'organe de réglage utilisé en horlogerie, par exemple un excentrique ou un système vis-écrou agissant sur l'élément élastique 13 directement ou indirectement, par exemple par l'intermédiaire d'un levier.
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On notera qu'à la différence de la solution proposée dans la demande de brevet
EP 4009115 A1 , la raideur du spiral 7 est très peu modifiée par l'action du dispositif de réglage 17, l'essentiel de la modification de la marche étant dû à la perturbation causée par l'ajout d'une force radiale.
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La présente invention n'est pas limitée à l'exemple représenté à la figure 2. Selon d'autres exemples de réalisation, l'élément élastique 13 peut comprendre une lame coudée dans l'autre sens (figure 7), une simple lame droite radiale (figure 8), deux lames se rejoignant (figure 9), trois lames se rejoignant (figure 10), une lame en arc de cercle (figure 11), une lame définissant trois côtés d'un rectangle (figure 12) ou un ressort de type hélicoïdal ou autre (figure 13). Dans le cas des figures 9 à 12, l'élément élastique 13 présente plusieurs points de jonction avec la spire extérieure. De préférence, celui de ces points de jonction qui est le plus proche de l'extrémité extérieure de la lame élastique enroulée est séparé de cette extrémité extérieure par une portion élastique de la spire extérieure s'étendant sur un angle d'au moins 50°, de préférence d'au moins 100°, de préférence d'au moins 150°, de préférence d'au moins 200°, cet angle étant mesuré comme défini précédemment.
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Par ailleurs, selon d'autres exemples de réalisation, l'extrémité libre 16 et l'extrémité extérieure 11 fixée au bâti 1 pourraient être reliées par un agencement de parties rigides et élastiques réalisé en une seule pièce avec le spiral 7 et le dispositif de réglage 17 pourrait agir sur cet agencement plutôt que directement sur l'extrémité libre 16.